【導(dǎo)讀】電路采用NMOS場效應(yīng)管作為功率輸出器件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了較大功率的直流電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)電路，并對(duì)額定電壓為24伏，額定電流為3.8A的25D60-24A直流電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，電路的抗干擾能力強(qiáng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域具有較強(qiáng)的適用性。
該電路采用NMOS場效應(yīng)管作為功率輸出器件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了較大功率的直流電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)電路，并對(duì)額定電壓為24伏，額定電流為3.8A的25D60-24A直流電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，電路的抗干擾能力強(qiáng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域具有較強(qiáng)的適用性。許多半導(dǎo)體公司推出了直流電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，但這些芯片多數(shù)只適合小功率直流電機(jī)，對(duì)于大功率直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，其集成芯片價(jià)格昂貴。
在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，主要考慮一下幾點(diǎn)：
1.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。
2.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，無論加上何種控制信號(hào)，何種無源負(fù)載，電路都是安全的。H橋驅(qū)動(dòng)電路：H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)，因其外形酷似字母‘H’，所以稱作H橋驅(qū)動(dòng)電路。
圖1：H橋驅(qū)動(dòng)電路
要使電機(jī)M運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖2：H橋驅(qū)動(dòng)原理示意圖
完整的晶體管H橋驅(qū)動(dòng)電路，PWM1，PWM2，為電機(jī)方向控制輸入端，PWM1=1，PWM2=0時(shí)正轉(zhuǎn)，PWM=0，PWM2=1時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。
PWM1，PWM2同時(shí)也是電機(jī)調(diào)速的脈寬輸入端。
圖3：完整晶體管H橋驅(qū)動(dòng)電路
晶體管是最為廉價(jià)的控制方法，但在晶體管上有明顯的壓降，會(huì)產(chǎn)生功率的損耗，效率不高，適宜應(yīng)用在低電壓，小功率的場合。
下圖是場效應(yīng)管組成的H橋驅(qū)動(dòng)電路，場效應(yīng)管是效率最高的控制方式，但價(jià)格較高，通常應(yīng)用在大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)場合。
圖4：場效應(yīng)管組成的H橋驅(qū)動(dòng)電路
上面都是有分立元件構(gòu)成的電路，實(shí)際使用中制作麻煩，故障率高。通常采用集成的H橋驅(qū)動(dòng)芯片，集成度高，使用方便，可靠性高。L9110，L298N，LMD18200，TA7257P、SN754410，MC33886等。
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3.實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路：
L9110驅(qū)動(dòng)電路
L9110是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高。該芯片有兩個(gè)TTL/CMOS兼容電平的輸入，可直接與單片機(jī)接口，具有良好的抗干擾性；兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，它具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每通道能通過750~800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)1.5~2.0A；同時(shí)它具有較低的輸出飽和壓降；內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開關(guān)功率管的使用上安全可靠。L9110被廣泛應(yīng)用于玩具汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和開關(guān)功率管等電路上。
寬電壓工作范圍2.5V~12v。
圖5：L9110驅(qū)動(dòng)電路
L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，3~46V，輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W.內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制，與單片機(jī)管腳直接連接；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作，有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。
VS位電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，VSS為邏輯控制電源。
下圖中PA0~PA3為單片機(jī)的I/O腳，控制兩個(gè)DC電機(jī)M1，M2正反轉(zhuǎn)。
圖6：L298N驅(qū)動(dòng)電路
4相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
圖7：4相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
LMD18200驅(qū)動(dòng)電路
LMD18200是美國國家半導(dǎo)體公司（NS）推出的專用于運(yùn)動(dòng)控制的H橋組件。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，峰值輸出電流高達(dá)6A，連續(xù)輸出電流達(dá)3A，工作電壓高達(dá)55V，還具有溫度報(bào)警和過熱與短路保護(hù)功能。
內(nèi)部集成了四個(gè)DMOS管，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H型驅(qū)動(dòng)橋。通過充電泵電路為上橋臂的2個(gè)開關(guān)管提供柵極控制電壓，充電泵電路由一個(gè)300kHz左右的工作頻率。可在引腳1、11外接電容形成第二個(gè)充電泵電路，外接電容越大，向開關(guān)管柵極輸入電容充電速度越快，電壓上升的時(shí)間越短，工作頻率可以更高。引腳2、10接直流電機(jī)，正轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳步到引腳10；反轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳10到引腳2.電流檢測輸出引腳8可以接一個(gè)對(duì)地電阻，通過電阻來輸出過流情況。
內(nèi)部保護(hù)電路設(shè)置的過電流閾值為10A，當(dāng)超過該值時(shí)會(huì)自動(dòng)封鎖輸出，并周期性的自動(dòng)恢復(fù)輸出。如果過電流持續(xù)時(shí)間較長，過熱保護(hù)將關(guān)閉整個(gè)輸出。過熱信號(hào)還可通過引腳9輸出，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到145度時(shí)引腳9有輸出信號(hào)。PB0，PB1為單片機(jī)的I/O口，PB0控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，PB1輸入脈寬控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
圖8：LMD18200驅(qū)動(dòng)電路
