中心論題：

• 在直流電機驅動電路的設計中，主要考慮功能和性能等方麵的因素
• 分別介紹幾種不同的柵極驅動電路並比較其性能優缺點
• 介紹PWM調速的實現算法及硬件電路
• 介紹步進電機的驅動方案

解決方案：

• 根據實際電路情況以及要求仔細選擇驅動電路
• 使用循環位移算法及模擬電路實現PWM調速
• 對每個電機的相應時刻設定相應的分頻比值
  ，同時用一個變量進行計數可實現步進電機的分頻調速

直流電機驅動電路的設計目標
在直流電機驅動電路的設計中，主要考慮一下幾點：

功能：電(dian)機(ji)是(shi)單(dan)向(xiang)還(hai)是(shi)雙(shuang)向(xiang)轉(zhuan)動(dong)？需(xu)不(bu)需(xu)要(yao)調(tiao)速(su)
？對(dui)於(yu)單(dan)向(xiang)的(de)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)，隻(zhi)要(yao)用(yong)一(yi)個(ge)大(da)功(gong)率(lv)三(san)極(ji)管(guan)或(huo)場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)或(huo)繼(ji)電(dian)器(qi)直(zhi)接(jie)帶(dai)動(dong)電(dian)機(ji)即(ji)可(ke)，當(dang)電(dian)機(ji)需(xu)要(yao)雙(shuang)向(xiang)轉(zhuan)動(dong)時(shi)，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)由(you)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。如果不需要調速
，隻要使用繼電器即可

；但如果需要調速
，可以使用三極管，場效應管等開關元件實現PWM（脈衝寬度調製）調速。
性能：對於PWM調速的電機驅動電路，主要有以下性能指標。

1。輸出電流和電壓範圍

，它決定著電路能驅動多大功率的電機。
2。xiaolv，gaodexiaolvbujinyiweizhejieshengdianyuan，yehuijianshaoqudongdianludefare。yaotigaodianludexiaolv，keyicongbaozhenggonglvqijiandekaiguangongzuozhuangtaihefangzhigongtaidaotong（H橋或推挽電路可能出現的一個問題，即兩個功率器件同時導通使電源短路）入手。
3。對(dui)控(kong)製(zhi)輸(shu)入(ru)端(duan)的(de)影(ying)響(xiang)。功(gong)率(lv)電(dian)路(lu)對(dui)其(qi)輸(shu)入(ru)端(duan)應(ying)有(you)良(liang)好(hao)的(de)信(xin)號(hao)隔(ge)離(li)
，防(fang)止(zhi)有(you)高(gao)電(dian)壓(ya)大(da)電(dian)流(liu)進(jin)入(ru)主(zhu)控(kong)電(dian)路(lu)

，這(zhe)可(ke)以(yi)用(yong)高(gao)的(de)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)或(huo)者(zhe)光(guang)電(dian)耦(ou)合(he)器(qi)實(shi)現(xian)隔(ge)離(li)。
4。對電源的影響。共態導通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源汙染；大的電流可能導致地線電位浮動。
5。可靠性。電機驅動電路應該盡可能做到，無論加上何種控製信號，何種無源負載，電路都是安全的。

三極管-電阻作柵極驅動


1．輸入與電平轉換部分：
輸入信號線由DATA引入，1腳是地線，其餘是信號線。注意1腳對地連接了一個2K歐(ou)的(de)電(dian)阻(zu)。當(dang)驅(qu)動(dong)板(ban)與(yu)單(dan)片(pian)機(ji)分(fen)別(bie)供(gong)電(dian)時(shi)，這(zhe)個(ge)電(dian)阻(zu)可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)信(xin)號(hao)電(dian)流(liu)回(hui)流(liu)的(de)通(tong)路(lu)。當(dang)驅(qu)動(dong)板(ban)與(yu)單(dan)片(pian)機(ji)共(gong)用(yong)一(yi)組(zu)電(dian)源(yuan)時(shi)
，這(zhe)個(ge)電(dian)阻(zu)可(ke)以(yi)防(fang)止(zhi)大(da)電(dian)流(liu)沿(yan)著(zhe)連(lian)線(xian)流(liu)入(ru)單(dan)片(pian)機(ji)主(zhu)板(ban)的(de)地(di)線(xian)造(zao)成(cheng)幹(gan)擾(rao)。或(huo)者(zhe)說(shuo)
，相(xiang)當(dang)於(yu)把(ba)驅(qu)動(dong)板(ban)的(de)地(di)線(xian)與(yu)單(dan)片(pian)機(ji)的(de)地(di)線(xian)隔(ge)開(kai)，實(shi)現(xian)“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基準電壓比較，轉換成接近功率電源電壓幅度的方波信號。KF347deshurudianyafanweibunengjiejinfudianyuandianya，fouzehuichucuo。yincizaiyunfangshuruduanzengjialefangzhidianyafanweiyichudeerjiguan。shuruduandelianggedianzuyigeyonglaixianliu，yigeyonglaizaishuruxuankongshibashuruduanladaodidianping。

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輸出阻抗在1千歐以上

，壓降較大，後麵一級的三極管將無法截止。

2．柵極驅動部分：
後麵三極管和電阻
，穩壓管組成的電路進一步放大信號，驅動場效應管的柵極並利用場效應管本身的柵極電容（大約1000pF）進行延時
，防止H橋上下兩臂的場效應管同時導通（“共態導通”）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
，下麵的三極管截止，場效應管導通。上麵的三極管導通
，場效應管截止，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
，下麵的三極管導通，場效應管截止。上麵的三極管截止
，場效應管導通
，輸出為低電平。

上麵的分析是靜態的
，下麵討論開關轉換的動態過程：三極管導通電阻遠小於2qianou
，yincisanjiguanyoujiezhizhuanhuandaodaotongshichangxiaoyingguanzhajidianrongshangdedianhekeyixunsushifang
，changxiaoyingguanxunsujiezhi。danshisanjiguanyoudaotongzhuanhuandaojiezhishichangxiaoyingguanzhajitongguo2千(qian)歐(ou)電(dian)阻(zu)充(chong)電(dian)卻(que)需(xu)要(yao)一(yi)定(ding)的(de)時(shi)間(jian)。相(xiang)應(ying)的(de)，場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)由(you)導(dao)通(tong)轉(zhuan)換(huan)到(dao)截(jie)止(zhi)的(de)速(su)度(du)要(yao)比(bi)由(you)截(jie)止(zhi)轉(zhuan)換(huan)到(dao)導(dao)通(tong)的(de)速(su)度(du)快(kuai)。假(jia)如(ru)兩(liang)個(ge)三(san)極(ji)管(guan)的(de)開(kai)關(guan)動(dong)作(zuo)是(shi)同(tong)時(shi)發(fa)生(sheng)的(de)，這(zhe)個(ge)電(dian)路(lu)可(ke)以(yi)讓(rang)上(shang)下(xia)兩(liang)臂(bi)的(de)場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)先(xian)斷(duan)後(hou)通(tong)
，消(xiao)除(chu)共(gong)態(tai)導(dao)通(tong)現(xian)象(xiang)。

實(shi)際(ji)上(shang)，運(yun)放(fang)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)需(xu)要(yao)一(yi)定(ding)的(de)時(shi)間(jian)，這(zhe)段(duan)時(shi)間(jian)內(nei)運(yun)放(fang)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)處(chu)於(yu)正(zheng)負(fu)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)之(zhi)間(jian)的(de)中(zhong)間(jian)值(zhi)。這(zhe)時(shi)兩(liang)個(ge)三(san)極(ji)管(guan)同(tong)時(shi)導(dao)通(tong)，場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)就(jiu)同(tong)時(shi)截(jie)止(zhi)了(le)。所(suo)以(yi)實(shi)際(ji)的(de)電(dian)路(lu)比(bi)這(zhe)種(zhong)理(li)想(xiang)情(qing)況(kuang)還(hai)要(yao)安(an)全(quan)一(yi)些(xie)。

場效應管柵極的12V穩壓二極管用於防止場效應管柵極過壓擊穿。一般的場效應管柵極的耐壓是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．場效應管輸出部分：
大功率場效應管內部在源極和漏極之間反向並聯有二極管，接成H橋使用時，相當於輸出端已經並聯了消除電壓尖峰用的四個二極管，因此這裏就沒有外接二極管。輸出端並聯一個小電容(out1和out2之間)對降低電機產生的尖峰電壓有一定的好處
，但是在使用PWM時(shi)有(you)產(chan)生(sheng)尖(jian)峰(feng)電(dian)流(liu)的(de)副(fu)作(zuo)用(yong)，因(yin)此(ci)容(rong)量(liang)不(bu)宜(yi)過(guo)大(da)。在(zai)使(shi)用(yong)小(xiao)功(gong)率(lv)電(dian)機(ji)時(shi)這(zhe)個(ge)電(dian)容(rong)可(ke)以(yi)略(lve)去(qu)。如(ru)果(guo)加(jia)這(zhe)個(ge)電(dian)容(rong)的(de)話(hua)
，一(yi)定(ding)要(yao)用(yong)高(gao)耐(nai)壓(ya)的(de)，普(pu)通(tong)的(de)瓷(ci)片(pian)電(dian)容(rong)可(ke)能(neng)會(hui)出(chu)現(xian)擊(ji)穿(chuan)短(duan)路(lu)的(de)故(gu)障(zhang)。

輸出端並聯的由電阻和發光二極管，電容組成的電路指示電機的轉動方向。

4．性能指標：
電源電壓15~30 V，最大持續輸出電流5A/每個電機
，短時間（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製。實現電機的雙向轉動和調速。

5．布線：
大電流線路要盡量的短粗，並且盡量避免經過過孔，一定要經過過孔的話要把過孔做大一些（>1mm）並(bing)且(qie)在(zai)焊(han)盤(pan)上(shang)做(zuo)一(yi)圈(quan)小(xiao)的(de)過(guo)孔(kong)，在(zai)焊(han)接(jie)時(shi)用(yong)焊(han)錫(xi)填(tian)滿(man)，否(fou)則(ze)可(ke)能(neng)會(hui)燒(shao)斷(duan)。另(ling)外(wai)，如(ru)果(guo)使(shi)用(yong)了(le)穩(wen)壓(ya)管(guan)，場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)源(yuan)極(ji)對(dui)電(dian)源(yuan)和(he)地(di)的(de)導(dao)線(xian)要(yao)盡(jin)可(ke)能(neng)的(de)短(duan)粗(cu)，否(fou)則(ze)在(zai)大(da)電(dian)流(liu)時(shi)

，這(zhe)段(duan)導(dao)線(xian)上(shang)的(de)壓(ya)降(jiang)可(ke)能(neng)會(hui)經(jing)過(guo)正(zheng)偏(pian)的(de)穩(wen)壓(ya)管(guan)和(he)導(dao)通(tong)的(de)三(san)極(ji)管(guan)將(jiang)其(qi)燒(shao)毀(hui)。在(zai)一(yi)開(kai)始(shi)的(de)設(she)計(ji)中(zhong)，NMOS管的源極於地之間曾經接入一個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首。當然如果把穩壓管換成電阻就不存在這個問題了。

在2004年的Robocon比賽中
，我們主要采用了這個電路用以電機驅動。

低壓驅動電路的簡易柵極驅動
一般功率場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20V
，增加了電路的複雜程度。但在12V或更低電壓的應用中，電路就可以大大簡化。


上圖就是一個12V驅動橋的一邊

，上麵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）由於場效應管柵極電容的存在，通過R3，R4向柵極電容充電使場效應管延緩導通；而通過二極管直接將柵極電容放電使場效應管立即截止，從而避免了共態導通。

這個電路要求在IN端輸入的是邊緣陡峭的方波脈衝，因此控製信號從單片機或者其他開路輸出的設備接入後，要經過施密特觸發器（比如555）或者推挽輸出的高速比較器才能接到IN端。如果輸入邊緣過緩
，二極管延時電路也就失去了作用。

R3
，R4的選取與IN信號邊沿升降速度有關，信號邊緣越陡峭

，R3，R4可以選的越小，開關速度也就可以做的越快。Robocon比賽使用的升壓電路（原理相似）中，IN前用的是555。

邊沿延時驅動電路
在前級邏輯電路裏，有意地對控製PMOS的下降沿和控製NMOSdeshangshengyanjinxingyanshi，zaizhengxingchengfangbo，yekeyibimianchangxiaoyingguandegongtaidaotong。lingwai，zheyangzuokeyishihoujidezhajiqudongdianlujianhua，keyishidizutuiwanqudongzhaji，bubikaolvzhajidianrong，keyijiaohaodeshiyingbutongdechangxiaoyingguan。2003年Robocon比賽采用的就是這種驅動電路。下圖是兩種邊沿的延時電路：



下圖是對應的NMOS，PMOS柵極驅動電路：



這個柵極驅動電路由兩級三極管組成：qianjitigongqudongchangxiaoyingguanzhajisuoxudezhengquedianya
，houjishiyijishejigensuiqi
，jiangdishuchuzukang，xiaochuzhajidianrongdeyingxiang。weilebaozhengbugongtaidaotong
，shurudebianyanyaobijiaodou
，shangshuxianyanshizaizhengxingdedianlujiukeyizuodao。

其它幾種驅動電路

1． 繼電器＋半導體功率器件的想法
繼ji電dian器qi有you著zhe電dian流liu大da
，工gong作zuo穩wen定ding的de優you點dian
，可ke以yi大da大da簡jian化hua驅qu動dong電dian路lu的de設she計ji。在zai需xu要yao實shi現xian調tiao速su的de電dian機ji驅qu動dong電dian路lu中zhong，也ye可ke以yi充chong分fen利li用yong繼ji電dian器qi。有you一yi個ge方fang案an就jiu是shi利li用yong繼ji電dian器qi來lai控kong製zhi電dian流liu方fang向xiang來lai改gai變bian電dian機ji轉zhuan向xiang，而er用yong單dan個ge的de特te大da電dian流liu場chang效xiao應ying管guan（比如IRF3205

，一般隻有N型特大電流的管子）來實現PWM調速
，如下圖(a)所示。這樣是實現特別大電流驅動的一個方法。換向的繼電器要使用雙刀雙擲型的，接線如下圖(b)，線圈接線如下圖(c)：

                                             (b)                                         

 (a)    

                                                                                             (c)

2． 幾種驅動芯片
1） L298 參考http://www.21icsearch.com/searchpdf/st/L298N.pdf
2） A3952 參考http://www.allegromicro.com/datafile/archive/3952.pdf
3） A3940 參考http://www.allegromicro.com/datafile/3940.pdf
4） L6203 參考http://www.21icsearch.com/searchpdf/st/L6203.pdf

 PWM調速的實現

1． 使用定時器的算法
//butcher補充一下吧
//算法原理
//編程實現要點
//優缺點

2． 使用循環移位的算法
產生PWM信號可以由定時器來完成
，但是由於51neibuzhitigonglelianggedingshiqi，yinciruguoyaoxiangsangehuogengduodezhiliudianjishuchubutongzhankongbidexinhaoyaofanfushezhidingshiqi，shixianjiaoweifuza，womencaiyongyizhongbijiaojiandandefangfabujinkeyishixianduigengduodezhiliudianjitigongbutongdezhankongbishuruxinhao
，erqiezhizhanyongyigedingshiqiziyuan。zhezhongfangfakeyijiandanbiaoshuruxia：

在內存的某段空間內存放各個直流電機所需的輸入信號占空比信息，如果占空比為1則保存0FFH(11111111B)；占空比為0。5則保存0F0H(11110000B)或任何2進製數中包括4個0和4個1。即

占空比＝1的個數/8

具體選取什麼樣的二進製數要看輸出頻率的要求。若要對此直流電機輸出PWM信號，隻要每個時間片移位一次取出其中固定的一位（可以用位尋址或進位標誌C實現）送song到dao電dian機ji端duan口kou上shang即ji可ke。另ling外wai
，移yi位wei算suan法fa是shi一yi種zhong對dui以yi前qian結jie果guo依yi賴lai的de算suan法fa
，所suo以yi最zui好hao定ding期qi檢jian查zha或huo重zhong置zhi被bei移yi位wei的de數shu，防fang止zhi移yi錯cuo導dao致zhi一yi直zhi錯cuo下xia去qu。

這種算法的優點是獨立進程
，可以實現對多個電機的控製，缺點是占用資源較大，PWM頻率較低。

3． 模擬電路PWM的實現


上圖為一個使用遊戲手柄或者航模搖杆上的線性電位器（或線性霍爾元件）控製兩個底盤驅動電機的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分量經過合成成為控製左右輪兩個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)，經過試驗有不錯的效果（數字隻是單位，不是電壓值）。經過U1C和U1D組成的施密特振蕩器把電壓轉換為相應的PWM信號，用來控製功率驅動電路。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製。Q1，Q2是三極管
，組成反相器，提供差分的控製信號。具體振蕩過程參見對555振蕩器的分析。

步進電機驅動

1。 小功率4相步進電機的驅動
下麵是一種驅動電路框圖：

達林頓管陣列ULN2803分別從鎖存器取出第0，2
，4
，6位和1
，3，5
，7位去驅動兩個步進電機。四相步進電機的通電順序可以有幾種:A
，B，C，D(4相4拍)；AB，BC，CD，DA(4相雙4拍)；A，AB，B，BC
，C，CD
，D，DA(4相8拍)。為了兼顧穩定性
，轉矩和功耗，一般采用4相8拍方式。所有這些方式都可以通過循環移位實現(也要有定期監控)
，為了使4相8拍容易實現，鎖存器與驅動部分采用了交叉連接。
步進電機工作在四相八拍模式（即正轉的輸入信號為1000→1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000）
，duiyingmeigebujindianjiyaoyousigexinhaoshuruduan，lilunshangxiangduankoushuchuxinhaokeyikongzhilianggebujindianjidegongzuo。jicunqixunhuanyiweiqiouweifenbiezuolianggebujindianjidequdongduandezuofa，qisixiangruxia：

LOOP: MOV A，#1110000B 
；在A寄存器中置入11100000
RR A ；右移位
AJMP LOOP

；循環右移位

這樣在寄存器A中存儲的值會有如下循環11100000→01110000→00111000→00011100→00001110→00000111→10000011→11000001→11100000
，其奇數位有如下循環1000→1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000，其偶數位有如下循環1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000→1100。將A輸出到P0端口，則奇數位和偶數位正是我們所需要的步進電機輸入信號。

而事實上每個電機的動作是不同的，為此我們在RAM中為每個電機開辟一個byte的狀態字節用以循環移位。在每一個電機周期裏
，根據需要對每個電機的byte進行移位

，並用ANL指令將兩個電機的狀態合成到一個字節裏輸出此時的A同時可以控製兩個電機了。

步bu進jin電dian機ji的de速su度du由you驅qu動dong脈mai衝chong的de頻pin率lv決jue定ding

，移yi位wei的de周zhou期qi不bu同tong，電dian機ji的de速su度du也ye就jiu不bu同tong了le。前qian麵mian提ti到dao的de電dian機ji周zhou期qi

，應ying該gai取qu各ge種zhong可ke能neng的de周zhou期qi的de最zui大da公gong約yue數shu。換huan句ju話hua說shuo，一yi旦dan電dian機ji周zhou期qi取qu定ding，每mei個ge電dian機ji移yi位wei的de周zhou期qi應ying該gai是shi它ta的de倍bei數shu。在zai程cheng序xu中zhong，對dui每mei個ge電dian機ji的de相xiang應ying時shi刻ke設she定ding相xiang應ying的de分fen頻pin比bi值zhi，同tong時shi用yong一yi個ge變bian量liang進jin行xing加jia一yi計ji數shu:每到一個電機周期若計數變量<分頻比值，則計數變量加1
；若相等
，則移位
，計數變量清零。這樣就實現了分頻調速
，可以讓多個電機同時以不同的速度運轉。

另外，也可以采用傳統的查表方式進行驅動
，程序稍長，但也比較穩定，這種方法非常適合三相步進電機。

UCN5804B/LB是Allegro公司生產的4相xiang步bu進jin電dian機ji驅qu動dong專zhuan用yong芯xin片pian
，它ta集ji成cheng了le控kong製zhi邏luo輯ji
，脈mai衝chong分fen配pei和he功gong率lv推tui動dong，通tong過guo幾ji個ge管guan腳jiao的de電dian平ping來lai設she定ding轉zhuan動dong方fang式shi，方fang向xiang
，通tong過guo改gai變bian外wai時shi鍾zhong頻pin率lv來lai改gai變bian轉zhuan動dong速su度du，這zhe給gei完wan成cheng複fu雜za的de動dong作zuo和he測ce試shi步bu進jin電dian機ji參can數shu帶dai來lai了le極ji大da的de方fang便bian。

2。 步進電機的智能驅動方案
步進電機有可以精確控製的優點，但是功耗大，效率低，力矩小。如果選用大功率步進電機，為了降低功耗，可以采取PWM恒流控製的方法。基本思路是，用帶反饋的高頻PWMgenjushuchugonglvdeyaoqiuduimeixianghengliuqudong，zongtidianliushunxuyoufuhezhuandongshunxu。xuyaolijuxiaodeshihouyingjishijianxiaodianliu
，yijiangdigonghao。gaifanganshixiandedianlu，keyicaiyongdulidedanpianjihuoCPLD加場效應管驅動電路以及電流采樣反饋電路。



 附錄：幾種IRF場效應管的參數