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本文详细介绍了直流电机驱动设计中的注意事项、低压驱动电路的简单栅极驱动、边沿延时驱动电路图及其设计思路。

以上是直流电机驱动电路图。 下面详细介绍直流电机驱动设计中的注意事项、低压驱动电路的简单栅极驱动、边沿延时驱动电路图及其设计思路。

一、直流电机驱动电路的设计目标

在设计直流电机驱动电路时，主要考虑以下几点：

1、功能：电机是单向旋转还是两个方向旋转？ 需要调速吗？ 对于单向电机驱动，只需用一只大功率三极管或场效应管或继电器直接驱动电机即可。 当电机需要双向转动时，可采用4个功率元件组成的H桥电路或采用双刀双掷继电器。 如果不需要调速，用一个继电器即可； 但如果需要调速，可以采用晶体管、场效应管等开关元件来实现PWM（脉冲宽度调制）调速。

2、性能：对于采用PWM调速的电机驱动电路，主要有以下几个性能指标。

1）输出电流和电压范围，决定了电路能驱动电机的功率有多大。

2）效率，高效率不仅意味着省电，而且减少了驱动电路的发热。 要提高电路的效率，我们可以从保证功率器件的开关状态，防止共态导通（H桥或推挽电路中可能出现的问题，即两个功率器件导通）入手在同一时间短路电源）。

3）对控制输入的影响。 电源电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止高电压、大电流进入主控电路。 这可以通过高输入阻抗或光电耦合器来实现。

4）对电源的影响。 共态导通会造成电源电压瞬时下降，造成高频电源污染； 大电流可能导致地电位浮动。

5) 可靠性。 电机驱动电路尽量做到，无论加什么样的控制信号或无源负载，电路都是安全的。

1、输入与电平转换部分：

输入信号线由DATA引入，1脚为地线，其余为信号线。 请注意，引脚 1 连接到一个 2K 欧姆电阻接地。 当驱动板和微控制器分别供电时信号隔离器电路图，该电阻可以为信号电流提供返回路径。 当驱动板和单片机共用一个电源时，这个电阻可以防止大电流沿着连接线流入单片机主板的地线造成干扰。 也就是说，相当于将驱动板的地线与单片机的地线分开，实现“一点接地”。

高速运算放大器KF347（也可用TL084）作为比较器，将输入的逻辑信号与来自指示灯和二极管的2.7V参考电压进行比较，转换成接近于输入端的方波信号电源电压的幅值。 KF347的输入电压范围不能接近负电源电压，否则会出错。 因此，在运算放大器的输入端增加了一个防止电压范围溢出的二极管。 输入端的两个电阻，其中一个用于限流，另一个用于在输入悬空时将输入端拉低。

LM339或任何其他开路输出比较器不能用来代替运放，因为开路输出的高电平状态输出阻抗超过1kΩ，压降大，三极管下一阶段将无法切断。

2.栅极驱动部分：

三极管、电阻和稳压管组成的电路将信号进一步放大，驱动场效应管的栅极并利用场效应管本身的栅极电容（约1000pF）来延时，防止场效应管的H 桥的上下臂同时导通（“共态导通”）导致电源短路。

当运放输出端为低电平（约1V～2V，不能完全为零）时，下三极管截止，场效应管导通。 上三极管导通，场效应管截止，输出高电平。 当运放输出端为高电平（约VCC-（1V~2V），不能完全达到VCC）时，下三极管导通，场效应管截止。 上三极管截止，场效应管导通，输出低电平。

以上分析是静态的，下面讨论开关转换的动态过程：三极管的导通电阻远小于2kΩ，所以场效应管栅极电容上的电荷在三极管导通时可以快速释放由关断切换到导通，场效应管截止。 但是，当三极管从导通到截止时，需要一定的时间通过一个2000欧姆的电阻给场效应管的栅极充电。 相应地，场效应管从导通到截止的开关速度要比从截止到导通的快。 如果两个三极管的开关动作同时发生，该电路可使上下臂的场效应管先截止后导通，消除了共导现象。

实际上，运放的输出电压发生变化需要一定的时间，而在此期间运放的输出电压处于正电源电压和负电源电压之间的中间值。 此时两个三极管同时导通，场效应管同时截止。 所以实际电路比这种理想情况更安全。

场效应管栅极的12V齐纳二极管用于防止场效应管栅极过压击穿。 一般场效应管的栅极耐压为18V或20V，直接加24V电压会击穿，所以这个稳压二极管不能用普通二极管代替，可以用2kΩ代替电阻器，这也可以获得 12V 分压器。

3、场效应管输出部分：

大功率场效应管内部的源极和漏极之间反并联有二极管。 当接成H桥时，相当于在输出端并联了四个用来消除电压尖峰的二极管，所以这里没有外接二极管。 在输出端（out1和out2之间）并联一个小电容有利于降低电机产生的峰值电压，但使用PWM时有产生峰值电流的副作用，所以容量不宜太大. 使用小功率电机时可省去此电容。 如果加上这个电容，必须要用耐压高的。 普通陶瓷电容器可能会击穿和短路。

在输出端由电阻、发光二极管和电容并联组成的电路指示电机的转动方向。

四、性能指标：

供电电压为15~30V，最大持续输出电流为5A/每台电机，短时间（10秒）可达10A，PWM频率最高可使用30KHz（一般为1~10KHz） . 电路板包含4个逻辑上独立的功放单元，其输出端成对连接组成H桥，可由单片机直接控制。 实现电机的双向旋转和调速。

5、接线：

大电流线尽量短粗，尽量避免穿过过孔。 如果一定要穿过过孔，过孔一定要做得大一些（>1mm），在焊盘上做一圈小过孔。 焊接时，用焊锡填充它，否则可能会烧坏。 另外，如果使用齐纳管，场效应管的源极到电源和地的连线要尽量短粗，否则这根线上的压降可能会通过正向偏置的齐纳管和大电流时接地。 导通的三极管会烧坏。 在最初的设计中，在NMOS管的源极和地之间接了一个0.15欧的电阻来检测电流，而这个电阻成为了不断烧板的罪魁祸首。 当然，如果稳压管换成电阻，这个问题就不存在了。

在2004年的Robocon比赛中，我们主要是用这个电路做电机驱动。

2. 低压驱动电路的简单栅极驱动

一般功率场效应管的栅源电压最高为20V左右，因此在24V应用中，需要保证栅源电压不能超过20V，增加了电路的复杂度。 但在12V或更低电压的应用中，电路可大大简化。

左图是12V驱动桥的一侧。 上述电路的三极管部分用两个二极管和两个电阻代替。 （注意上图中的逻辑是反的）由于场效应管栅极电容的存在，通过R3、R4对栅极电容充电会延迟场效应管的导通； 并通过二极管直接对栅极电容进行放电，使场效应管立即关断，从而避免了共态导通。

该电路需要在IN端输入边沿较陡的方波脉冲，所以控制信号从单片机或其他开路输出器件接入后，必须经过一个施密特触发器（如555）或具有推挽输出的高速比较器。 只有这样它才能连接到 IN 端子。 如果输入沿太慢，二极管延迟电路将失去作用。

R3和R4的选择与IN信号边沿的上升和下降速度有关。 信号边沿越陡信号隔离器电路图，R3和R4可以选择的越小，开关速度可以越快。 Robocon比赛中使用的升压电路（原理类似），在IN之前使用555。

3、边沿延时驱动电路

在前级逻辑电路中，故意延迟控制PMOS的下降沿和NMOS的上升沿，然后整形成方波，这样也可以避免场效应管的共态导通。 另外，这样做可以简化后级的栅极驱动电路，可以是低阻值的推挽驱动栅极，无需考虑栅极电容，可以更好地适应不同的场效应管。 该驱动电路曾用于 2003 年 Robocon 比赛。 下图是两种边沿的延时电路：

下图是对应的NMOS、PMOS栅极驱动电路：

该栅极驱动电路由两级晶体管组成：前级提供驱动场效应管栅极所需的正确电压，后级为第一级射极跟随器，降低输出阻抗，消除栅极电容。 为了保证非共态导通，输入边沿应该比较陡峭，可以通过上述先延时后整形的电路来实现。

5.其他驱动电路

1、继电器+半导体功率器件的思路

该继电器具有电流大、工作稳定等优点，可大大简化驱动电路的设计。 在需要实现调速的电机驱动电路中，也可以充分利用继电器。 一种方案是用继电器控制电流的方向来改变电机的方向，用单个大电流场效应管（如IRF3205，一般只有N型大电流管）实现PWM调速，如下右图所示。 这是实现特别高电流驱动的一种方式。 换向继电器宜采用双刀双掷型，接线如左图，线圈接线如中图：

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