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面的因素
• 分別介紹幾種不同的柵極驅動電路并比較其性能優(yōu)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(huán)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：電機是單向還是雙向轉動？需不需要調速？對于單向的電機驅動，只要用一個大功率三極管或場效應管或繼電器直接帶動電機即可，當電機需要雙向轉動時，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，場效應管等開關元件實現PWM（脈沖寬度調制）調速。
性能：對于PWM調速的電機驅動電路，主要有以下性能指標。

1。輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅動多大功率的電機。
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問題，即兩個功率器件同時導通使電源短路）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入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實現隔離。
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電位浮動。
5?？煽啃浴ｋ姍C驅動電路應該盡可能做到，無論加上何種控制信號，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，其余是信號線。注意1腳對地連接了一個2K歐的電阻。當驅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。當驅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?；蛘哒f，相當于把驅動板的地線與單片機的地線隔開，實現“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。KF347的輸入電壓范圍不能接近負電源電壓，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，后面一級的三極管將無法截止。

2．柵極驅動部分：
后面三極管和電阻，穩(wěn)壓管組成的電路進一步放大信號，驅動場效應管的柵極并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(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，下面的三極管截止，場效應管導通。上面的三極管導通，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，下面的三極管導通，場效應管截止。上面的三極管截止，場效應管導通，輸出為低電平。

上面的分析是靜態(tài)的，下面討論開關轉換的動態(tài)過程：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場效應管柵極電容上的電荷可以迅速釋放，場效應管迅速截止。但是三極管由導通轉換到截止時場效應管柵極通過2千歐電阻充電卻需要一定的時間。相應的，場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。假如兩個三極管的開關動作是同時發(fā)生的，這個電路可以讓上下兩臂的場效應管先斷后通，消除共態(tài)導通現象。

實際上，運放輸出電壓變化需要一定的時間，這段時間內運放輸出電壓處于正負電源電壓之間的中間值。這時兩個三極管同時導通，場效應管就同時截止了。所以實際的電路比這種理想情況還要安全一些。

場效應管柵極的12V穩(wěn)壓二極管用于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(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．場效應管輸出部分：
大功率場效應管內部在源極和漏極之間反向并聯有二極管，接成H橋使用時，相當于輸出端已經并聯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時有產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擊穿短路的故障。

輸出端并聯的由電阻和發(fā)光二極管，電容組成的電路指示電機的轉動方向。

4．性能指標：
電源電壓15~30 V，最大持續(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制。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，并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）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，場效應管源極對電源和地的導線要盡可能的短粗，否則在大電流時，這段導線上的壓降可能會經過正偏的穩(wěn)壓管和導通的三極管將其燒毀。在一開始的設計中，NMOS管的源極于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(wěn)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，增加了電路的復雜程度。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(tài)導通。

這個電路要求在IN端輸入的是邊緣陡峭的方波脈沖，因此控制信號從單片機或者其他開路輸出的設備接入后，要經過施密特觸發(fā)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
在前級邏輯電路里，有意地對控制PMOS的下降沿和控制NMOS的上升沿進行延時，再整形成方波，也可以避免場效應管的共態(tài)導通。另外，這樣做可以使后級的柵極驅動電路簡化，可以是低阻推挽驅動柵極，不必考慮柵極電容，可以較好的適應不同的場效應管。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：前級提供驅動場效應管柵極所需的正確電壓，后級是一級射極跟隨器，降低輸出阻抗，消除柵極電容的影響。為了保證不共態(tài)導通，輸入的邊沿要比較陡，上述先延時再整形的電路就可以做到。

其它幾種驅動電路

1． 繼電器＋半導體功率器件的想法
繼電器有著電流大，工作穩(wěn)定的優(yōu)點，可以大大簡化驅動電路的設計。在需要實現調速的電機驅動電路中，也可以充分利用繼電器。有一個方案就是利用繼電器來控制電流方向來改變電機轉向，而用單個的特大電流場效應管（比如IRF3205，一般只有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(yōu)缺點

2． 使用循環(huán)移位的算法
產生PWM信號可以由定時器來完成，但是由于51內部只提供了兩個定時器，因此如果要向三個或更多的直流電機輸出不同占空比的信號要反復設置定時器，實現較為復雜，我們采用一種比較簡單的方法不僅可以實現對更多的直流電機提供不同的占空比輸入信號，而且只占用一個定時器資源。這種方法可以簡單表述如下：

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進制數中包括4個0和4個1。即

占空比＝1的個數/8

具體選取什么樣的二進制數要看輸出頻率的要求。若要對此直流電機輸出PWM信號，只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志C實現）送到電機端口上即可。另外，移位算法是一種對以前結果依賴的算法，所以最好定期檢查或重置被移位的數，防止移錯導致一直錯下去。

這種算法的優(yōu)點是獨立進程，可以實現對多個電機的控制，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制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（數字只是單位，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，用來控制功率驅動電路。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。

步進電機驅動

1。 小功率4相步進電機的驅動
下面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(wěn)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(huán)移位實現(也要有定期監(jiān)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），對應每個步進電機要有四個信號輸入端，理論上向端口輸出信號可以控制兩個步進電機的工作。寄存器循環(huán)移位奇偶位分別作兩個步進電機的驅動端的做法，其思想如下：

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

這樣在寄存器A中存儲的值會有如下循環(huán)11100000→01110000→00111000→00011100→00001110→00000111→10000011→11000001→11100000，其奇數位有如下循環(huán)1000→1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000，其偶數位有如下循環(huán)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(tài)字節(jié)用以循環(huán)移位。在每一個電機周期里，根據需要對每個電機的byte進行移位，并用ANL指令將兩個電機的狀態(tài)合成到一個字節(jié)里輸出此時的A同時可以控制兩個電機了。

步進電機的速度由驅動脈沖的頻率決定，移位的周期不同，電機的速度也就不同了。前面提到的電機周期，應該取各種可能的周期的最大公約數。換句話說，一旦電機周期取定，每個電機移位的周期應該是它的倍數。在程序中，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加一計數: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(tǒng)的查表方式進行驅動，程序稍長，但也比較穩(wěn)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相步進電機驅動專用芯片，它集成了控制邏輯，脈沖分配和功率推動，通過幾個管腳的電平來設定轉動方式，方向，通過改變外時鐘頻率來改變轉動速度，這給完成復雜的動作和測試步進電機參數帶來了極大的方便。

2。 步進電機的智能驅動方案
步進電機有可以精確控制的優(yōu)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恒流控制的方法。基本思路是，用帶反饋的高頻PWM根據輸出功率的要求對每相恒流驅動，總體電流順序又符合轉動順序。需要力矩小的時候應及時減小電流，以降低功耗。該方案實現的電路，可以采用獨立的單片機或CPLD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