直流電機驅動(dòng)電路圖與設計思路

直流電機簡(jiǎn)介

直流電機（direct current machine）是指能將直流電能轉換成機械能（直流電動(dòng)機）或將機械能轉換成直流電能（直流發(fā)電機）的旋轉電機。它是能實(shí)現直流電能和機械能互相轉換的電機。當它作電動(dòng)機運行時(shí)是直流電動(dòng)機，將電能轉換為機械能；作發(fā)電機運行時(shí)是直流發(fā)電機，將機械能轉換為電能。

直流電機的工作原理

直流電機里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過(guò)轉子上的線(xiàn)圈產(chǎn)生安培力，當轉子上的線(xiàn)圈與磁場(chǎng)平行時(shí)，再繼續轉受到的磁場(chǎng)方向將改變，因此此時(shí)轉子末端的電刷跟轉換片交替接觸，從而線(xiàn)圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫茲力方向不變，所以電機能保持一個(gè)方向轉動(dòng)。

直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線(xiàn)圈中感應的交變電動(dòng)勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢的原理。感應電動(dòng)勢的方向按右手定則確定（磁感線(xiàn)指向手心，大拇指指向導體運動(dòng)方向，其他四指的指向就是導體中感應電動(dòng)勢的方向）。

導體受力的方向用左手定則確定。這一對電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉電機里稱(chēng)為電磁轉矩，轉矩的方向是逆時(shí)針?lè )较?，企圖使電樞逆時(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)。如果此電磁轉矩能夠克服電樞上的阻轉矩（例如由摩擦引起的阻轉矩以及其它負載轉矩），電樞就能按逆時(shí)針?lè )较蛐D起來(lái)。

直流電機驅動(dòng)原理圖

直流電機驅動(dòng)電路圖與設計思路分析

下面將為您詳細介紹直流電機驅動(dòng)設計需要注意的事項，低壓驅動(dòng)電路的簡(jiǎn)易柵極驅動(dòng)、邊沿延時(shí)驅動(dòng)電路圖解及其設計思路。

以上是直流電機驅動(dòng)電路圖，下面為您詳細介紹直流電機驅動(dòng)設計需要注意的事項，低壓驅動(dòng)電路的簡(jiǎn)易柵極驅動(dòng)、邊沿延時(shí)驅動(dòng)電路圖解及其設計思路。

一、 直流電機驅動(dòng)電路的設計目標

在直流電機驅動(dòng)電路的設計中，主要考慮一下幾點(diǎn)：

1. 功能：電機是單向還是雙向轉動(dòng)?需不需要調速?對于單向的電機驅動(dòng)，只要用一個(gè)大功率三極管或場(chǎng)效應管或繼電器直接帶動(dòng)電機即可，當電機需要雙向轉動(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(chǎng)效應管等開(kāi)關(guān)元件實(shí)現PWM(脈沖寬度調制)調速。

2. 性能：對于PWM調速的電機驅動(dòng)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(zhù)電路能驅動(dòng)多大功率的電機。

2)效率，高的效率不僅意味著(zhù)節省電源，也會(huì )減少驅動(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(kāi)關(guān)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(gè)問(wèn)題，即兩個(gè)功率器件同時(shí)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(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)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(xiàn)電位浮動(dòng)。

5)可靠性。電機驅動(dòng)電路應該盡可能做到，無(wú)論加上何種控制信號，何種無(wú)源負載，電路都是安全的。

1.輸入與電平轉換部分：

輸入信號線(xiàn)由DATA引入，1腳是地線(xiàn)，其余是信號線(xiàn)。注意1腳對地連接了一個(gè)2K歐的電阻。當驅動(dòng)板與單片機分別供電時(shí)，這個(gè)電阻可以提供信號電流回流的通路。當驅動(dòng)板與單片機共用一組電源時(shí)，這個(gè)電阻可以防止大電流沿著(zhù)連線(xiàn)流入單片機主板的地線(xiàn)造成干擾?；蛘哒f(shuō)，相當于把驅動(dòng)板的地線(xiàn)與單片機的地線(xiàn)隔開(kāi)，實(shí)現“一點(diǎn)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(lái)自指示燈和一個(gè)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(huì )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(gè)電阻一個(gè)用來(lái)限流，一個(gè)用來(lái)在輸入懸空時(shí)把輸入端拉到低電平。

不能用LM339或其他任何開(kāi)路輸出的比較器代替運放，因為開(kāi)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(wú)法截止。

2.柵極驅動(dòng)部分：

后面三極管和電阻，穩壓管組成的電路進(jìn)一步放大信號，驅動(dòng)場(chǎng)效應管的柵極并利用場(chǎng)效應管本身的柵極電容(大約1000pF)進(jìn)行延時(shí)，防止H橋上下兩臂的場(chǎng)效應管同時(shí)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(shí)，下面的三極管截止，場(chǎng)效應管導通。上面的三極管導通，場(chǎng)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(shí)，下面的三極管導通，場(chǎng)效應管截止。上面的三極管截止，場(chǎng)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(kāi)關(guān)轉換的動(dòng)態(tài)過(guò)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(shí)場(chǎng)效應管柵極電容上的電荷可以迅速釋放，場(chǎng)效應管迅速截止。但是三極管由導通轉換到截止時(shí)場(chǎng)效應管柵極通過(guò)2千歐電阻充電卻需要一定的時(shí)間。相應的，場(chǎng)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(gè)三極管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作是同時(shí)發(fā)生的，這個(gè)電路可以讓上下兩臂的場(chǎng)效應管先斷后通，消除共態(tài)導通現象。

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

場(chǎng)效應管柵極的12V穩壓二極管用于防止場(chǎng)效應管柵極過(guò)壓擊穿。一般的場(chǎng)效應管柵極的耐壓是18V或20V，直接加上24V電壓將會(huì )擊穿，因此這個(gè)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(chǎng)效應管輸出部分：

大功率場(chǎng)效應管內部在源極和漏極之間反向并聯(lián)有二極管，接成H橋使用時(shí)，相當于輸出端已經(jīng)并聯(lián)了消除電壓尖峰用的四個(gè)二極管，因此這里就沒(méi)有外接二極管。輸出端并聯(lián)一個(gè)小電容(out1和out2之間)對降低電機產(chǎn)生的尖峰電壓有一定的好處，但是在使用PWM時(shí)有產(chǎn)生尖峰電流的副作用，因此容量不宜過(guò)大。在使用小功率電機時(shí)這個(gè)電容可以略去。如果加這個(gè)電容的話(huà)，一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會(huì )出現擊穿短路的故障。

輸出端并聯(lián)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(dòng)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(gè)電機，短時(shí)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(gè)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(shí)現電機的雙向轉動(dòng)和調速。

5.布線(xiàn)：

大電流線(xiàn)路要盡量的短粗，并且盡量避免經(jīng)過(guò)過(guò)孔，一定要經(jīng)過(guò)過(guò)孔的話(huà)要把過(guò)孔做大一些(>1mm)并且在焊盤(pán)上做一圈小的過(guò)孔，在焊接時(shí)用焊錫填滿(mǎn)，否則可能會(huì )燒斷。另外，如果使用了穩壓管，場(chǎng)效應管源極對電源和地的導線(xiàn)要盡可能的短粗，否則在大電流時(shí)，這段導線(xiàn)上的壓降可能會(huì )經(jīng)過(guò)正偏的穩壓管和導通的三極管將其燒毀。在一開(kāi)始的設計中，NMOS管的源極于地之間曾經(jīng)接入一個(gè)0.15歐的電阻用來(lái)檢測電流，這個(gè)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(gè)問(wèn)題了。

二、 低壓驅動(dòng)電路的簡(jiǎn)易柵極驅動(dòng)

一般功率場(chǎng)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(guò)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(jiǎn)化。

上圖就是一個(gè)12V驅動(dòng)橋的一邊，上面電路的三極管部分被兩個(gè)二極管和兩個(gè)電阻代替。(注意，跟上圖邏輯是反的)由于場(chǎng)效應管柵極電容的存在，通過(guò)R3，R4向柵極電容充電使場(chǎng)效應管延緩導通;而通過(guò)二極管直接將柵極電容放電使場(chǎng)效應管立即截止，從而避免了共態(tài)導通。

這個(gè)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(kāi)路輸出的設備接入后，要經(jīng)過(guò)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(guò)緩，二極管延時(shí)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(guān)，信號邊緣越陡峭，R3，R4可以選的越小，開(kāi)關(guān)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。

三、 邊沿延時(shí)驅動(dòng)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(jìn)行延時(shí)，再整形成方波，也可以避免場(chǎng)效應管的共態(tài)導通。另外，這樣做可以使后級的柵極驅動(dòng)電路簡(jiǎn)化，可以是低阻推挽驅動(dòng)柵極，不必考慮柵極電容，可以較好的適應不同的場(chǎng)效應管。2003年Robocon比賽采用的就是這種驅動(dòng)電路。下圖是兩種邊沿的延時(shí)電路：

下圖是對應的NMOS，PMOS柵極驅動(dòng)電路：

這個(gè)柵極驅動(dòng)電路由兩級三極管組成：前級提供驅動(dòng)場(chǎng)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(shí)再整形的電路就可以做到。

四、 其它驅動(dòng)電路

繼電器+半導體功率器件的想法：

繼電器有著(zhù)電流大，工作穩定的優(yōu)點(diǎn)，可以大大簡(jiǎn)化驅動(dòng)電路的設計。在需要實(shí)現調速的電機驅動(dòng)電路中，也可以充分利用繼電器。有一個(gè)方案就是利用繼電器來(lái)控制電流方向來(lái)改變電機轉向，而用單個(gè)的特大電流場(chǎng)效應管(比如IRF3205，一般只有N型特大電流的管子)來(lái)實(shí)現PWM調速,如下右圖所示。這樣是實(shí)現特別大電流驅動(dòng)的一個(gè)方法。換向的繼電器要使用雙刀雙擲型的，接線(xiàn)如下左圖,線(xiàn)圈接線(xiàn)如下中圖：

直流電機的組成結構

（1）主磁極

主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成。

（2）換向極

換向極的作用是改善換向，減小電機運行時(shí)電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花，一般裝在兩個(gè)相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成。

（3）機座

電機定子的外殼稱(chēng)為機座。機座的作用有兩個(gè)：

一是用來(lái)固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個(gè)電機的支撐和固定作用；

二是機座本身也是磁路的一部分，借以構成磁極之間磁的通路，磁通通過(guò)的部分稱(chēng)為磁軛。為保證機座具有足夠的機械強度和良好的導磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。

（4）電刷裝置

電刷裝置是用來(lái)引入或引出直流電壓和直流電流的。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成。

（五）電樞鐵心

電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時(shí)用以嵌放電樞繞組。

（六）電樞繞組

電樞繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉矩和感應電動(dòng)勢，是直流電機進(jìn)行能量變換的關(guān)鍵部件，所以叫電樞。

（七）換向器

在直流電動(dòng)機中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉換為電樞線(xiàn)圈中的交變電流，使電磁轉矩的方向恒定不變；

（八）轉軸

轉軸起轉子旋轉的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。

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