DQZHAN技術(shù)訊：電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)詳解

一、在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，主要考慮一下幾點(diǎn)：

功能：電機(jī)是單向還是雙向轉(zhuǎn)動(dòng)?需不需要調(diào)速?對(duì)于單向的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只要用一個(gè)大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管或繼電器直接帶動(dòng)電機(jī)即可，當(dāng)電機(jī)需要雙向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以使用由4個(gè)功率元件組成的H橋電路或者使用一個(gè)雙刀雙擲的繼電器。如果不需要調(diào)速，只要使用繼電器即可;但如果需要調(diào)速，可以使用三極管，場(chǎng)效應(yīng)管等開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)PWM(脈沖寬度調(diào)制)調(diào)速。

性能：對(duì)于PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，主要有以下性能指標(biāo)。

1)輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅(qū)動(dòng)多大功率的電機(jī)。

2)效率，高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會(huì)減少驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通(H橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題，即兩個(gè)功率器件同時(shí)導(dǎo)通使電源短路)入手。

3)對(duì)控制輸入端的影響。功率電路對(duì)其輸入端應(yīng)有良好的信號(hào)隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。

4)對(duì)電源的影響。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染;大的電流可能導(dǎo)致地線電位浮動(dòng)。

5)可靠性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該盡可能做到，無(wú)論加上何種控制信號(hào)，何種無(wú)源負(fù)載，電路都是**的。

二、 三極管-電阻作柵極驅(qū)動(dòng)

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1.輸入與電平轉(zhuǎn)換部分：

輸入信號(hào)線由DATA引入，1腳是地線，其余是信號(hào)線。注意1腳對(duì)地連接了一個(gè)2K歐的電阻。當(dāng)驅(qū)動(dòng)板與單片機(jī)分別供電時(shí)，這個(gè)電阻可以提供信號(hào)電流回流的通路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)板與單片機(jī)共用一組電源時(shí)，這個(gè)電阻可以防止大電流沿著連線流入單片機(jī)主板的地線造成干擾?；蛘哒f(shuō)，相當(dāng)于把驅(qū)動(dòng)板的地線與單片機(jī)的地線隔開，實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。

高速運(yùn)放KF347(也可以用TL084)的作用是比較器，把輸入邏輯信號(hào)同來(lái)自指示燈和一個(gè)二極管的2.7V基準(zhǔn)電壓比較，轉(zhuǎn)換成接近功率電源電壓幅度的方波信號(hào)。KF347的輸入電壓范圍不能接近負(fù)電源電壓，否則會(huì)出錯(cuò)。因此在運(yùn)放輸入端增加了防止電壓范圍溢出的二極管。輸入端的兩個(gè)電阻一個(gè)用來(lái)限流，一個(gè)用來(lái)在輸入懸空時(shí)把輸入端拉到低電平。

不能用LM339或其他任何開路輸出的比較器代替運(yùn)放，因?yàn)殚_路輸出的高電平狀態(tài)輸出阻抗在1千歐以上，壓降較大，后面**的三極管將無(wú)法截止。

2.柵極驅(qū)動(dòng)部分：

后面三極管和電阻，穩(wěn)壓管組成的電路進(jìn)一步放大信號(hào)，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極并利用場(chǎng)效應(yīng)管本身的柵極電容(大約1000pF)進(jìn)行延時(shí)，防止H橋上下兩臂的場(chǎng)效應(yīng)管同時(shí)導(dǎo)通(“共態(tài)導(dǎo)通”)造成電源短路。

當(dāng)運(yùn)放輸出端為低電平(約為1V至2V，不能完全達(dá)到零)時(shí)，下面的三極管截止，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通。上面的三極管導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管截止，輸出為高電平。當(dāng)運(yùn)放輸出端為高電平(約為VCC-(1V至2V)，不能完全達(dá)到VCC)時(shí)，下面的三極管導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管截止。上面的三極管截止，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出為低電平。

上面的分析是靜態(tài)的，下面討論開關(guān)轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)過(guò)程：三極管導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于2千歐，因此三極管由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管柵極電容上的電荷可以迅速釋放，場(chǎng)效應(yīng)管迅速截止。但是三極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到截止時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管柵極通過(guò)2千歐電阻充電卻需要一定的時(shí)間。相應(yīng)的，場(chǎng)效應(yīng)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到截止的速度要比由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通的速度快。假如兩個(gè)三極管的開關(guān)動(dòng)作是同時(shí)發(fā)生的，這個(gè)電路可以讓上下兩臂的場(chǎng)效應(yīng)管先斷后通，消除共態(tài)導(dǎo)通現(xiàn)象。

實(shí)際上，運(yùn)放輸出電壓變化需要一定的時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)運(yùn)放輸出電壓處于正負(fù)電源電壓之間的中間值。這時(shí)兩個(gè)三極管同時(shí)導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管就同時(shí)截止了。所以實(shí)際的電路比這種理想情況還要**一些。

場(chǎng)效應(yīng)管柵極的12V穩(wěn)壓二極管用于防止場(chǎng)效應(yīng)管柵極過(guò)壓擊穿。一般的場(chǎng)效應(yīng)管柵極的耐壓是18V或20V，直接加上24V電壓將會(huì)擊穿，因此這個(gè)穩(wěn)壓二極管不能用普通的二極管代替，但是可以用2千歐的電阻代替，同樣能得到12V的分壓。

3.場(chǎng)效應(yīng)管輸出部分：

大功率場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)部在源極和漏極之間反向并聯(lián)有二極管，接成H橋使用時(shí)，相當(dāng)于輸出端已經(jīng)并聯(lián)了消除電壓尖峰用的四個(gè)二極管，因此這里就沒(méi)有外接二極管。輸出端并聯(lián)一個(gè)小電容(out1和out2之間)對(duì)降低電機(jī)產(chǎn)生的尖峰電壓有一定的好處，但是在使用PWM時(shí)有產(chǎn)生尖峰電流的副作用，因此容量不宜過(guò)大。在使用小功率電機(jī)時(shí)這個(gè)電容可以略去。如果加這個(gè)電容的話，一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會(huì)出現(xiàn)擊穿短路的故障。

輸出端并聯(lián)的由電阻和發(fā)光二極管，電容組成的電路指示電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

4.性能指標(biāo)：

電源電壓15~30 V，*大持續(xù)輸出電流5A/每個(gè)電機(jī)，短時(shí)間(10秒)可以達(dá)到10A，PWM頻率*高可以用到30KHz(一般用1到10KHz)。電路板包含4個(gè)邏輯上獨(dú)立的，輸出端兩兩接成H橋的功率放大單元，可以直接用單片機(jī)控制。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向轉(zhuǎn)動(dòng)和調(diào)速。

5.布線：

大電流線路要盡量的短粗，并且盡量避免經(jīng)過(guò)過(guò)孔，一定要經(jīng)過(guò)過(guò)孔的話要把過(guò)孔做大一些(》1mm)并且在焊盤上做一圈小的過(guò)孔，在焊接時(shí)用焊錫填滿，否則可能會(huì)燒斷。另外，如果使用了穩(wěn)壓管，場(chǎng)效應(yīng)管源極對(duì)電源和地的導(dǎo)線要盡可能的短粗，否則在大電流時(shí)，這段導(dǎo)線上的壓降可能會(huì)經(jīng)過(guò)正偏的穩(wěn)壓管和導(dǎo)通的三極管將其燒毀。在一開始的設(shè)計(jì)中，NMOS管的源極于地之間曾經(jīng)接入一個(gè)0.15歐的電阻用來(lái)檢測(cè)電流，這個(gè)電阻就成了不斷燒毀板子的罪魁禍?zhǔn)?。?dāng)然如果把穩(wěn)壓管換成電阻就不存在這個(gè)問(wèn)題了。

三、 低壓驅(qū)動(dòng)電路的簡(jiǎn)易柵極驅(qū)動(dòng)

一般功率場(chǎng)效應(yīng)管的*高柵源電壓為20V左右，所以在24V應(yīng)用中要保證柵源電壓不能超過(guò)20V，增加了電路的復(fù)雜程度。但在12V或更低電壓的應(yīng)用中，電路就可以大大簡(jiǎn)化。

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左圖就是一個(gè)12V驅(qū)動(dòng)橋的一邊，上面電路的三極管部分被兩個(gè)二極管和兩個(gè)電阻代替。(注意，跟上圖邏輯是反的)由于場(chǎng)效應(yīng)管柵極電容的存在，通過(guò) R3，R4向柵極電容充電使場(chǎng)效應(yīng)管延緩導(dǎo)通;而通過(guò)二極管直接將柵極電容放電使場(chǎng)效應(yīng)管立即截止，從而避免了共態(tài)導(dǎo)通。

四、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

1、工作原理分析：

在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中，采用了帶光耦隔離，抗干擾能力強(qiáng)的TLP521作為隔離電流保護(hù)芯片，其中L297的17腳通過(guò)給高低電平來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，而18腳為步進(jìn)時(shí)鐘輸入端，控制每個(gè)步數(shù)的時(shí)間增量，19腳步進(jìn)電機(jī)的半步或者整步的選擇，10腳為使能控制端，來(lái)控制電機(jī)的啟停，而經(jīng)過(guò)內(nèi)部包含 4 信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路、高壓、大電流雙 H 橋式驅(qū)動(dòng)器L298來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn);利用L298實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其正反轉(zhuǎn)，并采用二極管進(jìn)行續(xù)流保護(hù)，利用7805提供5v電源給控制器和l298芯片供電，這個(gè)電路在工作時(shí)間長(zhǎng)的情況下容易發(fā)熱，造成電路不穩(wěn)定性缺點(diǎn)。

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主要功能特點(diǎn)是：

關(guān)鍵芯片：L298N 雙H 橋直流/步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片

L298N 芯片工作電壓：DC 4.5~5.5V。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源電壓DC 5--35V。

電源輸入正常時(shí)有LED 燈指示。

PCB尺寸：4.4*5.0cm

*大輸出電流2A(瞬間峰值電流3A)，*大輸出功率25W。

輸出正常時(shí)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)有LED 燈指示。

具有二極管續(xù)流保護(hù)。

可單獨(dú)控制2臺(tái)直流電機(jī)或1臺(tái)兩相4 線(或6 線)步進(jìn)電機(jī)。

可以采用并聯(lián)接法控制一臺(tái)高達(dá)3A 的直流電機(jī)。

可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

上圖為一個(gè)使用游戲手柄或者航模搖桿上的線性電位器(或線性霍爾元件)控制兩個(gè)底盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM生成電路。J1是手柄的插座，123和456分別是 x，y兩個(gè)方向的電位器。U1B提供半電源電壓，U1A是電壓跟隨。x，y分量經(jīng)過(guò)合成成為控制左右輪兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓信號(hào)。在使用中，讓L= (x+1)y/(x+1.4)，R=(x-1)y/(x-0.6)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)有不錯(cuò)的效果(數(shù)字只是單位，不是電壓值)。經(jīng)過(guò)U1C和U1D組成的施密特振蕩器把電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的PWM信號(hào)，用來(lái)控制功率驅(qū)動(dòng)電路。以U1D為例，R1，R2組成有回差的施密特電路，上下門限受輸入電壓影響，C1和R3組成延時(shí)回路，如此形成振蕩的脈寬受輸入電壓控制。Q1，Q2是三極管，組成反相器，提供差分的控制信號(hào)。具體振蕩過(guò)程參見(jiàn)對(duì)555振蕩器的分析。