DQZHAN技術(shù)訊：電機驅(qū)動電路設(shè)計詳解

一、在電機驅(qū)動電路的設(shè)計中，主要考慮一下幾點：

功能：電機是單向還是雙向轉(zhuǎn)動?需不需要調(diào)速?對于單向的電機驅(qū)動，只要用一個大功率三極管或場效應(yīng)管或繼電器直接帶動電機即可，當(dāng)電機需要雙向轉(zhuǎn)動時，可以使用由4個功率元件組成的H橋電路或者使用一個雙刀雙擲的繼電器。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，場效應(yīng)管等開關(guān)元件實現(xiàn)PWM(脈沖寬度調(diào)制)調(diào)速。

性能：對于PWM調(diào)速的電機驅(qū)動電路，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)動多大功率的電機。

2)效率，高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會減少驅(qū)動電路的發(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)的一個問題，即兩個功率器件同時導(dǎo)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(yīng)有良好的信號隔離，防止有高電壓大電流進入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實現(xiàn)隔離。

4)對電源的影響。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。

5)可靠性。電機驅(qū)動電路應(yīng)該盡可能做到，無論加上何種控制信號，何種無源負(fù)載，電路都是**的。

二、 三極管-電阻作柵極驅(qū)動

1.jpg

1.輸入與電平轉(zhuǎn)換部分：

輸入信號線由DATA引入，1腳是地線，其余是信號線。注意1腳對地連接了一個2K歐的電阻。當(dāng)驅(qū)動板與單片機分別供電時，這個電阻可以提供信號電流回流的通路。當(dāng)驅(qū)動板與單片機共用一組電源時，這個電阻可以防止大電流沿著連線流入單片機主板的地線造成干擾。或者說，相當(dāng)于把驅(qū)動板的地線與單片機的地線隔開，實現(xiàn)“一點接地”。

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自指示燈和一個二極管的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。KF347的輸入電壓范圍不能接近負(fù)電源電壓，否則會出錯。因此在運放輸入端增加了防止電壓范圍溢出的二極管。輸入端的兩個電阻一個用來限流，一個用來在輸入懸空時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放，因為開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**的三極管將無法截止。

2.柵極驅(qū)動部分：

后面三極管和電阻，穩(wěn)壓管組成的電路進一步放大信號，驅(qū)動場效應(yīng)管的柵極并利用場效應(yīng)管本身的柵極電容(大約1000pF)進行延時，防止H橋上下兩臂的場效應(yīng)管同時導(dǎo)通(“共態(tài)導(dǎo)通”)造成電源短路。

當(dāng)運放輸出端為低電平(約為1V至2V，不能完全達到零)時，下面的三極管截止，場效應(yīng)管導(dǎo)通。上面的三極管導(dǎo)通，場效應(yīng)管截止，輸出為高電平。當(dāng)運放輸出端為高電平(約為VCC-(1V至2V)，不能完全達到VCC)時，下面的三極管導(dǎo)通，場效應(yīng)管截止。上面的三極管截止，場效應(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)換的動態(tài)過程：三極管導(dǎo)通電阻遠小于2千歐，因此三極管由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通時場效應(yīng)管柵極電容上的電荷可以迅速釋放，場效應(yīng)管迅速截止。但是三極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到截止時場效應(yīng)管柵極通過2千歐電阻充電卻需要一定的時間。相應(yīng)的，場效應(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。假如兩個三極管的開關(guān)動作是同時發(fā)生的，這個電路可以讓上下兩臂的場效應(yīng)管先斷后通，消除共態(tài)導(dǎo)通現(xiàn)象。

實際上，運放輸出電壓變化需要一定的時間，這段時間內(nèi)運放輸出電壓處于正負(fù)電源電壓之間的中間值。這時兩個三極管同時導(dǎo)通，場效應(yīng)管就同時截止了。所以實際的電路比這種理想情況還要**一些。

場效應(yīng)管柵極的12V穩(wěn)壓二極管用于防止場效應(yīng)管柵極過壓擊穿。一般的場效應(yīng)管柵極的耐壓是18V或20V，直接加上24V電壓將會擊穿，因此這個穩(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.場效應(yīng)管輸出部分：

大功率場效應(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，相當(dāng)于輸出端已經(jīng)并聯(lián)了消除電壓尖峰用的四個二極管，因此這里就沒有外接二極管。輸出端并聯(lián)一個小電容(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時有產(chǎn)生尖峰電流的副作用，因此容量不宜過大。在使用小功率電機時這個電容可以略去。如果加這個電容的話，一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會出現(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的轉(zhuǎn)動方向。

4.性能指標(biāo)：

電源電壓15~30 V，*大持續(xù)輸出電流5A/每個電機，短時間(10秒)可以達到10A，PWM頻率*高可以用到30KHz(一般用1到10KHz)。電路板包含4個邏輯上獨立的，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。實現(xiàn)電機的雙向轉(zhuǎn)動和調(diào)速。

5.布線：

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

三、 低壓驅(qū)動電路的簡易柵極驅(qū)動

一般功率場效應(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，電路就可以大大簡化。

2.jpg

左圖就是一個12V驅(qū)動橋的一邊，上面電路的三極管部分被兩個二極管和兩個電阻代替。(注意，跟上圖邏輯是反的)由于場效應(yīng)管柵極電容的存在，通過 R3，R4向柵極電容充電使場效應(yīng)管延緩導(dǎo)通;而通過二極管直接將柵極電容放電使場效應(yīng)管立即截止，從而避免了共態(tài)導(dǎo)通。

四、L298N電機驅(qū)動電路

1、工作原理分析：

在步進電機驅(qū)動模塊中，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腳通過給高低電平來控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，而18腳為步進時鐘輸入端，控制每個步數(shù)的時間增量，19腳步進電機的半步或者整步的選擇，10腳為使能控制端，來控制電機的啟停，而經(jīng)過內(nèi)部包含 4 信道邏輯驅(qū)動電路、高壓、大電流雙 H 橋式驅(qū)動器L298來控制電機的正反轉(zhuǎn);利用L298實現(xiàn)電機驅(qū)動及其正反轉(zhuǎn)，并采用二極管進行續(xù)流保護，利用7805提供5v電源給控制器和l298芯片供電，這個電路在工作時間長的情況下容易發(fā)熱，造成電路不穩(wěn)定性缺點。

3.jpg

主要功能特點是：

關(guān)鍵芯片：L298N 雙H 橋直流/步進電機驅(qū)動芯片

L298N 芯片工作電壓：DC 4.5~5.5V。

電機驅(qū)動電源電壓DC 5--35V。

電源輸入正常時有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。

輸出正常時電機運轉(zhuǎn)有LED 燈指示。

具有二極管續(xù)流保護。

可單獨控制2臺直流電機或1臺兩相4 線(或6 線)步進電機。

可以采用并聯(lián)接法控制一臺高達3A 的直流電機。

可實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)。

上圖為一個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)控制兩個底盤驅(qū)動電機的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)過合成成為控制左右輪兩個電機轉(zhuǎn)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)過試驗有不錯的效果(數(shù)字只是單位，不是電壓值)。經(jīng)過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，用來控制功率驅(qū)動電路。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。具體振蕩過程參見對555振蕩器的分析。