一、 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：

1. 功能：電機是單向還是雙向轉動？需不需要調速？對於單向的電機驅動，隻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，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。
2. 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）效率，高的效率不僅意味著節省電源，也會減少驅動電路的發熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開關工作狀態和防止共態導通（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）對控製輸入端的影響。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。

二、 三極管-電阻作柵極驅動
 

    

1．輸入與(yu) 電平轉換部分：
    輸入信號線由DATA引入，1腳是地線，其餘(yu) 是信號線。注意1腳對地連接了一個(ge) 2K歐的電阻。當驅動板與(yu) 單片機分別供電時，這個(ge) 電阻可以提供信號電流回流的通路。當驅動板與(yu) 單片機共用一組電源時，這個(ge) 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幹擾。或者說，相當於(yu) 把驅動板的地線與(yu) 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(ge) 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的輸入電壓範圍不能接近負電源電壓，否則會(hui) 出錯。因此在運放輸入端增加了防止電壓範圍溢出的二極管。輸入端的兩(liang) 個(ge) 電阻一個(ge) 用來限流，一個(ge) 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(wei) 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(liang) 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(wei) 低電平（約為(wei) 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(wei) 高電平。當運放輸出端為(wei) 高電平（約為(wei) 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(wei) 低電平。
     上麵的分析是靜態的，下麵討論開關(guan) 轉換的動態過程：三極管導通電阻遠小於(yu) 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(liang) 個(ge) 三極管的開關(guan) 動作是同時發生的，這個(ge) 電路可以讓上下兩(liang) 臂的場效應管先斷後通，消除共態導通現象。
     實際上，運放輸出電壓變化需要一定的時間，這段時間內(nei) 運放輸出電壓處於(yu) 正負電源電壓之間的中間值。這時兩(liang) 個(ge) 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穩壓二極管用於(yu) 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(hui) 擊穿，因此這個(ge) 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(nei) 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(yu) 輸出端已經並聯了消除電壓尖峰用的四個(ge) 二極管，因此這裏就沒有外接二極管。輸出端並聯一個(ge) 小電容(out1和out2之間)對降低電機產(chan) 生的尖峰電壓有一定的好處，但是在使用PWM時有產(chan) 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(ge) 電容可以略去。如果加這個(ge) 電容的話，一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會(hui) 出現擊穿短路的故障。
      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(ge) 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(ge) 邏輯上獨立的，輸出端兩(liang) 兩(liang) 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(hui) 燒斷。另外，如果使用了穩壓管，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(hui) 經過正偏的穩壓管和導通的三極管將其燒毀。在一開始的設計中，NMOS管的源極於(yu) 地之間曾經接入一個(ge) 0.15歐的電阻用來檢測電流，這個(ge) 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(ge) 問題了。
      在2004年的Robocon比賽中，我們(men) 主要采用了這個(ge) 電路用以電機驅動。

三、 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(wei) 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。
 

   

     左圖就是一個(ge) 12V驅動橋的一邊，上麵電路的三極管部分被兩(liang) 個(ge) 二極管和兩(liang) 個(ge) 電阻代替。（注意，跟上圖邏輯是反的）由於(yu) 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(cong) 而避免了共態導通。
      這個(ge) 電路要求在IN端輸入的是邊緣陡峭的方波脈衝(chong) ，因此控製信號從(cong) 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(yu) IN信號邊沿升降速度有關(guan) ，信號邊緣越陡峭，R3，R4可以選的越小，開關(guan) 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。

四、 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導通。另外，這樣做可以使後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(liang) 種邊沿的延時電路：
 

             

   
下圖是對應的NMOS，PMOS柵極驅動電路：
        

                       

                  
     這個(ge) 柵極驅動電路由兩(liang) 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，後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(wei) 了保證不共態導通，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

五、 其它幾種驅動電路
1． 繼電器＋半導體(ti) 功率器件的想法
      繼電器有著電流大，工作穩定的優(you) 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(ge) 方案就是利用繼電器來控製電流方向來改變電機轉向，而用單個(ge) 的特大電流場效應管（比如IRF3205，一般隻有N型特大電流的管子）來實現PWM調速,如下右圖所示。這樣是實現特別大電流驅動的一個(ge) 方法。換向的繼電器要使用雙刀雙擲型的，接線如下左圖,線圈接線如下中圖：
               

 

2． 幾種驅動芯片
1） L298   參考

   

  
     上圖為(wei) 一個(ge) 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(liang) 個(ge) 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(liang) 個(ge) 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(wei) 控製左右輪兩(liang) 個(ge) 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(wei) 相應的PWM信號，用來控製功率驅動電路。以U1D為(wei) 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(ti) 振蕩過程參見對555振蕩器的分析。

七、 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(cong) 鎖存器取出第0,2,4,6位和1,3,5,7位去驅動兩(liang) 個(ge) 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(wei) 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(wei) 了使4相8拍容易實現,鎖存器與(yu) 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(wei) 1000→1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000），對應每個(ge) 步進電機要有四個(ge) 信號輸入端，理論上向端口輸出信號可以控製兩(liang) 個(ge) 步進電機的工作。寄存器循環移位奇偶位分別作兩(liang) 個(ge) 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    ;循環右移位
     這樣在寄存器A中存儲(chu) 的值會(hui) 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(men) 所需要的步進電機輸入信號。
     而事實上每個(ge) 電機的動作是不同的,為(wei) 此我們(men) 在RAM中為(wei) 每個(ge) 電機開辟一個(ge) byte的狀態字節用以循環移位.在每一個(ge) 電機周期裏,根據需要對每個(ge) 電機的byte進行移位,並用ANL指令將兩(liang) 個(ge) 電機的狀態合成到一個(ge) 字節裏輸出此時的A同時可以控製兩(liang) 個(ge) 電機了
步進電機的速度由驅動脈衝(chong) 的頻率決(jue) 定,移位的周期不同,電機的速度也就不同了.前麵提到的電機周期,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(ge) 電機移位的周期應該是它的倍數.在程序中,對每個(ge) 電機的相應時刻設定相應的分頻比值,同時用一個(ge) 變量進行加一計數:每到一個(ge) 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(ge) 電機同時以不同的速度運轉.
      另外,也可以采用傳(chuan) 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(chan) 的4相步進電機驅動專(zhuan) 用芯片,它集成了控製邏輯,脈衝(chong) 分配和功率推動,通過幾個(ge) 管腳的電平來設定轉動方式,方向,通過改變外時鍾頻率來改變轉動速度,這給完成複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製的優(you) 點，但是功耗大，效率低，力矩小。如果選用大功率步進電機，為(wei) 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PWM根據輸出功率的要求對每相恒流驅動，總體(ti) 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。

八、 附錄：幾種IRF場效應管的參數

型號	極性	電壓(V)	電流(A)	導通電阻(Ohm)
IRF540N	N	100	33	0.040
IRF9540	P	-100	-19	0.200
IRF840	N	500	8	0.850
IRF3205	N	55	110	0.008
IRF530N	N	100	17	0.090
IRF9530	P	-100	-12	0.300