直流電機具有優良的調速特性，?調速平滑、方便、調速范圍廣，?過載能力強，?可以實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉，?能滿足生產過程中自動化系統各種不同的特殊運行要求，?因此在工業控制領域，?直流電機得到了廣泛的應用。?

許多半導體公司推出了直流電機專用驅動芯片，?但這些芯片多數只適合小功率直流電機，?對于大功率直流電機的驅動，?其集成芯片價格昂貴。?基于此，?本文詳細分析和探討了較大功率直流電機驅動電路設計中可能出現的各種問題，?有針對性設計和實現了一款基于25D60-24A?的直流電機驅動電路。?該電路驅動功率大，?抗干擾能力強，?具有廣泛的應用前景。

H?橋功率驅動電路的設計?

在直流電機中，?可以采用GTR?集電極輸出型和射極輸出性驅動電路實現電機的驅動，?但是它們都屬于不可逆變速控制，?其電流不能反向，?無制動能力，?也不能反向驅動，?電機只能單方向旋轉，?因此這種驅動電路受到了很大的限制。對于可逆變速控制，?H?橋型互補對稱式驅動電路使用最為廣泛。可逆驅動允許電流反向，?可以實現直流電機的四象限運行，?有效實現電機的正、反轉控制。?而電機速度的控制主要有三種，?調節電樞電壓、減弱勵磁磁通、改變電樞回路電阻。?三種方法各有優缺點，?改變電樞回路電阻只能實現有級調速，?減弱磁通雖然能實現平滑調速，?但這種方法的調速范圍不大，?一般都是配合變壓調速使用。?因此在直流調速系統中，?都是以變壓調速為主，?通過PWM（Pulse?Width?Modulation）信號占空比的調節改變電樞電壓的大小，?從而實現電機的平滑調速。

H?橋驅動原理?

要控制電機的正反轉，?需要給電機提供正反向電壓，?這就需要四路開關去控制電機兩個輸入端的電壓。?當開關S1?和S4?閉合時，?電流從電機左端流向電機的右端，?電機沿一個方向旋轉;當開關S2?和S3?閉合時，?電流從電機右端流向電機左端，?電機沿另一個方向旋轉，?H?橋驅動原理等效電路圖如圖1?所示。

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。

2. 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）可靠性。電機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。

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。或者說，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。

上面的分析是靜態的，下面討論開關轉換的動態過程：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。

二、 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。

左圖就是一個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。

三、 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。

四、 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，工作穩定的優點，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，如下右圖所示。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，接線如下左圖，線圈接線如下中圖：