中心論題：

• 直流電機驅動控製電路總體結構
• H橋功率驅動原理
• 直流電機驅動控製電路設計

解決方案：　

• 光電隔離電路
• 電機驅動邏輯電路
• 電荷泵電路和驅動信號放大電路
• H橋功率驅動電路

引言
長期以來

，直流電機以其良好的線性特性、優異的控製性能等特點成為大多數變速運動控製和閉環位置伺服控製係統的最佳選擇。特別隨著計算機在控製領域，高開關頻率、全控型第二代電力半導體器件(GTR


、GTO
、MOSFET、IGBT等)的發展
，以及脈寬調製(PWM)直(zhi)流(liu)調(tiao)速(su)技(ji)術(shu)的(de)應(ying)用(yong)，直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)得(de)到(dao)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)。為(wei)適(shi)應(ying)小(xiao)型(xing)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)的(de)使(shi)用(yong)需(xu)求(qiu)
，各(ge)半(ban)導(dao)體(ti)廠(chang)商(shang)推(tui)出(chu)了(le)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)專(zhuan)用(yong)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)，構(gou)成(cheng)基(ji)於(yu)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)控(kong)製(zhi)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)伺(si)服(fu)係(xi)統(tong)。但(dan)是(shi)，專(zhuan)用(yong)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)構(gou)成(cheng)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)有(you)限(xian)
，不(bu)適(shi)合(he)大(da)功(gong)率(lv)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)需(xu)求(qiu)。因(yin)此(ci)采(cai)用(yong)N溝道增強型場效應管構建H橋
，實現大功率直流電機驅動控製。該驅動電路能夠滿足各種類型直流電機需求，並具有快速
、精確、高效、低功耗等特點，可直接與微處理器接口，可應用PWM技術實現直流電機調速控製。

直流電機驅動控製電路總體結構
直流電機驅動控製電路分為光電隔離電路
、電機驅動邏輯電路、驅動信號放大電路、電荷泵電路

、H橋功率驅動電路等四部分
，其電路框圖如圖1所示。

由圖可以看出，電機驅動控製電路的外圍接口簡單。其主要控製信號有電機運轉方向信號Dir電機調速信號PWM及電機製動信號Brake，Vcc為驅動邏輯電路部分提供電源，Vm為電機電源電壓，M+
、M-為直流電機接口。
　　
在zai大da功gong率lv驅qu動dong係xi統tong中zhong，將jiang驅qu動dong回hui路lu與yu控kong製zhi回hui路lu電dian氣qi隔ge離li，減jian少shao驅qu動dong控kong製zhi電dian路lu對dui外wai部bu控kong製zhi電dian路lu的de幹gan擾rao。隔ge離li後hou的de控kong製zhi信xin號hao經jing電dian機ji驅qu動dong邏luo輯ji電dian路lu產chan生sheng電dian機ji邏luo輯ji控kong製zhi信xin號hao，分fen別bie控kong製zhiH橋的上下臂。由於H橋由大功率N溝道增強型場效應管構成，不能由電機邏輯控製信號直接驅動，必須經驅動信號放大電路和電荷泵電路對控製信號進行放大，然後驅動H橋功率驅動電路來驅動直流電機。

H橋功率驅動原理
直流電機驅動使用最廣泛的就是H型全橋式電路
，這種驅動電路方便地實現直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉製動、反轉、反轉製動。H橋功率驅動原理圖如圖2所示。

　
H型全橋式驅動電路的4隻開關管都工作在斬波狀態。S1、S2為一組，S3

、S4為一組

，這兩組狀態互補，當一組導通時，另一組必須關斷。當S1
、S2導通時，S3、S4關斷，電機兩端加正向電壓實現電機的正轉或反轉製動
；當S3
、S4導通時，S1、S2關斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉製動。
　　
實際控製中
，需要不斷地使電機在四個象限之間切換，即在正轉和反轉之間切換，也就是在S1、S2導通且S3、S4關斷到S1
、S2關斷且S3
、S4導dao通tong這zhe兩liang種zhong狀zhuang態tai間jian轉zhuan換huan。這zhe種zhong情qing況kuang理li論lun上shang要yao求qiu兩liang組zu控kong製zhi信xin號hao完wan全quan互hu補bu，但dan是shi由you於yu實shi際ji的de開kai關guan器qi件jian都dou存cun在zai導dao通tong和he關guan斷duan時shi間jian，絕jue對dui的de互hu補bu控kong製zhi邏luo輯ji會hui導dao致zhi上shang下xia橋qiao臂bi直zhi通tong短duan路lu。為wei了le避bi免mian直zhi通tong短duan路lu且qie保bao證zheng各ge個ge開kai關guan管guan動dong作zuo的de協xie同tong性xing和he同tong步bu性xing，兩liang組zu控kong製zhi信xin號hao理li論lun上shang要yao求qiu互hu為wei倒dao相xiang
，而er實shi際ji必bi須xu相xiang差cha一yi個ge足zu夠gou長chang的de死si區qu時shi間jian，這zhe個ge校xiao正zheng過guo程cheng既ji可ke通tong過guo硬ying件jian實shi現xian，即ji在zai上shang下xia橋qiao臂bi的de兩liang組zu控kong製zhi信xin號hao之zhi間jian增zeng加jia延yan時shi，也ye可ke通tong過guo軟ruan件jian實shi現xian。
　　
圖2中4隻(zhi)開(kai)關(guan)管(guan)為(wei)續(xu)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)，可(ke)為(wei)線(xian)圈(quan)繞(rao)組(zu)提(ti)供(gong)續(xu)流(liu)回(hui)路(lu)。當(dang)電(dian)機(ji)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)時(shi)
，驅(qu)動(dong)電(dian)流(liu)通(tong)過(guo)主(zhu)開(kai)關(guan)管(guan)流(liu)過(guo)電(dian)機(ji)。當(dang)電(dian)機(ji)處(chu)於(yu)製(zhi)動(dong)狀(zhuang)態(tai)時(shi)，電(dian)機(ji)工(gong)作(zuo)在(zai)發(fa)電(dian)狀(zhuang)態(tai)，轉(zhuan)子(zi)電(dian)流(liu)必(bi)須(xu)通(tong)過(guo)續(xu)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)流(liu)通(tong)，否(fou)則(ze)電(dian)機(ji)就(jiu)會(hui)發(fa)熱(re)，嚴(yan)重(zhong)時(shi)甚(shen)至(zhi)燒(shao)毀(hui)。
 
直流電機驅動控製電路設計
由(you)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)框(kuang)圖(tu)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)驅(qu)動(dong)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)結(jie)構(gou)簡(jian)單(dan)，主(zhu)要(yao)由(you)四(si)部(bu)分(fen)電(dian)路(lu)構(gou)成(cheng)，其(qi)中(zhong)光(guang)電(dian)隔(ge)離(li)電(dian)路(lu)較(jiao)簡(jian)單(dan)
，在(zai)此(ci)不(bu)再(zai)介(jie)紹(shao)，下(xia)麵(mian)對(dui)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)的(de)其(qi)他(ta)部(bu)分(fen)進(jin)行(xing)詳(xiang)細(xi)介(jie)紹(shao)。

在直流電機控製中常用H橋電路作為驅動器的功率驅動電路。由於功率MOSFET是壓控元件
，具有輸入阻抗大、開關速度快、無二次擊穿現象等特點
，滿足高速開關動作需求，因此常用功率MOSFET構成H橋電路的橋臂。H橋電路中的4個功率MOSFET分別采用N溝道型和P溝道型，而P溝道功率MOSFET一般不用於下橋臂驅動電機，這樣就有兩種可行方案：一種是上下橋臂分別用2個P溝道功率MOSFET和2個N溝道功率MOSFET
；另一種是上下橋臂均用N溝道功率MOSFET。
　　
相對來說
，利用2個N溝道功率MOSFET和2個P溝道功率MOSFET驅動電機的方案，控製電路簡單、成本低。但由於加工工藝的原因，P溝道功率MOSFET的性能要比N溝道功率MOSFET的差
，且驅動電流小，多用於功率較小的驅動電路中。而N溝道功率MOSFET，一方麵載流子的遷移率較高、頻率響應較好

、跨導較大
；另一方麵能增大導通電流
、減小導通電阻、降低成本，減小麵積。綜合考慮係統功率、可靠性要求，以及N溝道功率MOSFET的優點
，本設計采用4個相同的N溝道功率MOSFET的H橋電路，具備較好的性能和較高的可靠性
，並具有較大的驅動電流。其電路圖如圖3所示。圖中Vm為電機電源電壓，4個二極管為續流二極管
，輸出端並聯一隻小電容C6，用於降低感性元件電機產生的尖峰電壓。