電機驅動(dòng)電路

功能：電機是單向還是雙向轉動(dòng)？需不需要調速？對于單向的電機驅動(dòng)，只要用一個(gè)大功率三極管或場(chǎng)效應管或繼電器直接帶動(dòng)電機即可，當電機需要雙向轉動(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。如果不需要調速，只要使用繼電器即可；但如果需要調速，可以使用三極管，場(chǎng)效應管等開(kāi)關(guān)元件實(shí)現PWM（脈沖寬度調制）調速。

性能：對于PWM調速的電機驅動(dòng)電路，主要有以下性能指標。

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

2）效率，高的效率不僅意味著(zhù)節省電源，也會(huì )減少驅動(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(kāi)關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導通（H橋或推挽電路可能出現的一個(gè)問(wèn)題，即兩個(gè)功率器件同時(shí)導通使電源短路）入手。

3）對控制輸入端的影響。功率電路對其輸入端應有良好的信號隔離，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)現隔離。

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

5）可靠性。電機驅動(dòng)電路應該盡可能做到，無(wú)論加上何種控制信號，何種無(wú)源負載，電路都是安全的。

三極管-電阻作柵極驅動(dòng)

1．輸入與電平轉換部分：

輸入信號線(xiàn)由DATA引入，1腳是地線(xiàn)，其余是信號線(xiàn)。注意1腳對地連接了一個(gè)2K歐的電阻。當驅動(dòng)板與單片機分別供電時(shí)，這個(gè)電阻可以提供信號電流回流的通路。當驅動(dòng)板與單片機共用一組電源時(shí)，這個(gè)電阻可以防止大電流沿著(zhù)連線(xiàn)流入單片機主板的地線(xiàn)造成干擾�；蛘哒f(shuō)，相當于把驅動(dòng)板的地線(xiàn)與單片機的地線(xiàn)隔開(kāi)，實(shí)現“一點(diǎn)接地”。

高速運放KF347（也可以用TL084）的作用是比較器，把輸入邏輯信號同來(lái)自指示燈和一個(gè)二極管的2.7V基準電壓比較，轉換成接近功率電源電壓幅度的方波信號。KF347的輸入電壓范圍不能接近負電源電壓，否則會(huì )出錯。因此在運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(kāi)路輸出的比較器代替運放，因為開(kāi)路輸出的高電平狀態(tài)輸出阻抗在1千歐以上，壓降較大，后面一級的三極管將無(wú)法截止。

2．柵極驅動(dòng)部分：

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

當運放輸出端為低電平（約為1V至2V，不能完全達到零）時(shí)，下面的三極管截止，場(chǎng)效應管導通。上面的三極管導通，場(chǎng)效應管截止，輸出為高電平。當運放輸出端為高電平（約為VCC-（1V至2V），不能完全達到VCC）時(shí)，下面的三極管導通，場(chǎng)效應管截止。上面的三極管截止，場(chǎng)效應管導通，輸出為低電平。

上面的分析是靜態(tài)的，下面討論開(kāi)關(guān)轉換的動(dòng)態(tài)過(guò)程：三極管導通電阻遠小于2千歐，因此三極管由截止轉換到導通時(shí)場(chǎng)效應管柵極電容上的電荷可以迅速釋放，場(chǎng)效應管迅速截止。但是三極管由導通轉換到截止時(shí)場(chǎng)效應管柵極通過(guò)2千歐電阻充電卻需要一定的時(shí)間。相應的，場(chǎng)效應管由導通轉換到截止的速度要比由截止轉換到導通的速度快。假如兩個(gè)三極管的開(kāi)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)效應管先斷后通，消除共態(tài)導通現象。

實(shí)際上，運放輸出電壓變化需要一定的時(shí)間，這段時(shí)間內運放輸出電壓處于正負電源電壓之間的中間值。這時(shí)兩個(gè)三極管同時(shí)導通，場(chǎng)效應管就同時(shí)截止了。所以實(shí)際的電路比這種理想情況還要安全一些。

場(chǎng)效應管柵極的12V穩壓二極管用于防止場(chǎng)效應管柵極過(guò)壓擊穿。一般的場(chǎng)效應管柵極的耐壓是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)效應管輸出部分：

大功率場(chǎng)效應管內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）對降低電機產(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。在使用小功率電機時(shí)這個(gè)電容可以略去。如果加這個(gè)電容的話(huà)，一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會(huì )出現擊穿短路的故障。

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的轉動(dòng)方向。

4．性能指標：

電源電壓15~30 V，最大持續輸出電流5A/每個(gè)電機，短時(shí)間（10秒）可以達到10A，PWM頻率最高可以用到30KHz（一般用1到10KHz）。電路板包含4個(gè)邏輯上獨立的，輸出端兩兩接成H橋的功率放大單元，可以直接用單片機控制。實(shí)現電機的雙向轉動(dòng)和調速。

5．布線(xiàn)：

大電流線(xiàn)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(huà)要把過(guò)孔做大一些（》1mm）并且在焊盤(pán)上做一圈小的過(guò)孔，在焊接時(shí)用焊錫填滿(mǎn)，否則可能會(huì )燒斷。另外，如果使用了穩壓管，場(chǎng)效應管源極對電源和地的導線(xiàn)要盡可能的短粗，否則在大電流時(shí)，這段導線(xiàn)上的壓降可能會(huì )經(jīng)過(guò)正偏的穩壓管和導通的三極管將其燒毀。在一開(kāi)始的設計中，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)檢測電流，這個(gè)電阻就成了不斷燒毀板子的罪魁禍首。當然如果把穩壓管換成電阻就不存在這個(gè)問(wèn)題了。

低壓驅動(dòng)電路的簡(jiǎn)易柵極驅動(dòng)

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

上圖就是一個(gè)12V驅動(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)效應管延緩導通；而通過(guò)二極管直接將柵極電容放電使場(chǎng)效應管立即截止，從而避免了共態(tài)導通。

L298N電機驅動(dòng)電路

1、工作原理分析：

在步進(jìn)電機驅動(dòng)模塊中，采用了帶光耦隔離，抗干擾能力強的TLP521作為隔離電流保護芯片，其中L297的17腳通過(guò)給高低電平來(lái)控制步進(jìn)電機的正反轉，而18腳為步進(jìn)時(shí)鐘輸入端，控制每個(gè)步數的時(shí)間增量，19腳步進(jìn)電機的半步或者整步的選擇，10腳為使能控制端，來(lái)控制電機的啟停，而經(jīng)過(guò)內部包含 4 信道邏輯驅動(dòng)電路、高壓、大電流雙 H 橋式驅動(dòng)器L298來(lái)控制電機的正反轉；利用L298實(shí)現電機驅動(dòng)及其正反轉，并采用二極管進(jìn)行續流保護，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(cháng)的情況下容易發(fā)熱，造成電路不穩定性缺點(diǎn)。

主要功能特點(diǎn)是：

關(guān)鍵芯片：L298N 雙H 橋直流/步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片

L298N 芯片工作電壓：DC 4.5~5.5V。

電機驅動(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

最大輸出電流2A（瞬間峰值電流3A），最大輸出功率25W。

輸出正常時(shí)電機運轉有LED 燈指示。

具有二極管續流保護。

可單獨控制２臺直流電機或１臺兩相4 線(xiàn)（或6 線(xiàn)）步進(jìn)電機。

可以采用并聯(lián)接法控制一臺高達3A 的直流電機。

可實(shí)現電機正反轉。

2． 模擬電路PWM的實(shí)現

上圖為一個(gè)使用游戲手柄或者航模搖桿上的線(xiàn)性電位器（或線(xiàn)性霍爾元件）控制兩個(gè)底盤(pán)驅動(dòng)電機的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)電機轉速的電壓信號。在使用中，讓L= （x+1）y/（x+1.4），R=（x-1）y/（x-0.6），經(jīng)過(guò)試驗有不錯的效果（數字只是單位，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換為相應的PWM信號，用來(lái)控制功率驅動(dòng)電路。以U1D為例，R1，R2組成有回差的施密特電路，上下門(mén)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。具體振蕩過(guò)程參見(jiàn)對555振蕩器的分析。

小結

本文主要介紹了電機驅動(dòng)電路的設計，該方案實(shí)現的電路，可以采用獨立的單片機或CPLD加場(chǎng)效應管驅動(dòng)電路以及電流采樣反饋電路。