知識分享：詳解直流電機驅(qū)動電路設(shè)計

來源|伺服與運動控制

直流電機（direct current machine）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能（直流電動機）或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機）的旋轉(zhuǎn)電機。它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。

直流電機的基本構(gòu)成

直流電機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其間有一定的氣隙。

直流電機的定子由機座、主磁極、換向磁極、前后端蓋和刷架等部件組成。其中主磁極是產(chǎn)生直流電機氣隙磁場的主要部件，由永磁體或帶有直流勵磁繞組的疊片鐵心構(gòu)成。

直流電機的轉(zhuǎn)子則由電樞、換向器（又稱整流子）和轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成。其中電樞由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。電樞鐵心由硅鋼片疊成，在其外圓處均勻分布著齒槽，電樞繞組則嵌置于這些槽中。

換向器是一種機械整流部件。由換向片疊成圓筒形后，以金屬夾件或塑料成型為一個整體。各換向片間互相絕緣。換向器質(zhì)量對運行可靠性有很大影響。

直流電機的組成結(jié)構(gòu)

直流電機的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機進行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。

01 定子

?主磁極

主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成鐵心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅鋼板沖片疊壓鉚緊而成，分為極身和極靴兩部分，上面套勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可以調(diào)整氣隙中磁場的分布，又便于固定勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。整個主磁極用螺釘固定在機座上。

?換向極

換向極的作用是改善換向，減小電機運行時電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花，一般裝在兩個相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成。換向極繞組用絕緣導線繞制而成，套在換向極鐵心上，換向極的數(shù)目與主磁極相等。

?機座

電機定子的外殼稱為機座。機座的作用有兩個：

一是用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個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(gòu)成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。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。

?電刷裝置

電刷裝置是用來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。電刷放在刷握內(nèi)，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環(huán)形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上，圓周位置可以調(diào)整，調(diào)好以后加以固定。

02 轉(zhuǎn)子

?電樞鐵心

電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。一般電樞鐵心采用由0.5mm厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成，以降低電機運行時電樞鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。鐵心的外圓開有電樞槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。

?電樞繞組

電樞繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機進行能量變換的關(guān)鍵部件，所以叫電樞。它是由許多線圈（以下稱元件）按一定規(guī)律連接而成，線圈采用高強度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成，不同線圈的線圈邊分上下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間以及上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣。為防止離心力將線圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定。線圈伸出槽外的端接部分用熱固性無緯玻璃帶進行綁扎。

?換向器

在直流電動機中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變；在直流發(fā)電機中，換向器配以電刷，能將電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動勢轉(zhuǎn)換為正、負電刷上引出的直流電動勢。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣。

?轉(zhuǎn)軸

轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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。

直流電機驅(qū)動電路-設(shè)計目標

在直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計中，主要考慮一下幾點。

01 功能

電機是單向還是雙向轉(zhuǎn)動？需不需要調(diào)速？

對于單向的電機驅(qū)動，只要用一個大功率三極管或場效應(yīng)管或繼電器直接帶動電機即可，當電機需要雙向轉(zhuǎn)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(diào)速，只要使用繼電器即可；但如果需要調(diào)速，可以使用三極管、場效應(yīng)管等開關(guān)元件實現(xiàn)PWM調(diào)速。

02 性能

對于PWM調(diào)速的電機驅(qū)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(qū)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(qū)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(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導通入手。

（3）對控制輸入端的影響。功率電路對其輸入端應(yīng)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(xiàn)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）可靠性。電機驅(qū)動電路應(yīng)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-電阻做柵極驅(qū)動

01 輸入與電平轉(zhuǎn)換

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(qū)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(qū)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(qū)動板的地線與單片機的地線隔開，實現(xiàn)“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(zhuǎn)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。

02 柵極驅(qū)動

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(qū)動場效應(yīng)管的柵極并利用場效應(yīng)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(yīng)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時，下面的三極管截止，場效應(yīng)管導通；上面的三極管導通，場效應(yīng)管截止，輸出為高電平。當運放輸出端為高電平時，下面的三極管導通，場效應(yīng)管截止；上面的三極管截止，場效應(yīng)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(guān)轉(zhuǎn)換的動態(tài)過程：三極管導通電阻遠小于2kΩ，因此三極管由截止轉(zhuǎn)換到導通時場效應(yīng)管柵極電容上的電荷可以迅速釋放，場效應(yīng)管迅速截止。但是三極管由導通轉(zhuǎn)換到截止時場效應(yīng)管柵極通過2kΩ電阻充電卻需要一定的時間。相應(yīng)的，場效應(yīng)管由導通轉(zhuǎn)換到截止的速度要比由截止轉(zhuǎn)換到導通的速度快。假如兩個三極管的開關(guān)動作是同時發(fā)生的，這個電路可以讓上下兩臂的場效應(yīng)管先斷后通，消除共態(tài)導通現(xiàn)象。

實際上，運放輸出電壓變化需要一定的時間，這段時間內(nèi)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(yīng)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(yīng)管柵極的12V穩(wěn)壓二極管用于防止場效應(yīng)管柵極過壓擊穿。一般的場效應(yīng)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。

03 場效應(yīng)管輸出

大功率場效應(yīng)管內(nèi)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，相當于輸出端已經(jīng)并聯(lián)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(lián)一個小電容(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時有產(chǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)動方向。

04 性能指標

電源電壓15~30V，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(xiàn)電機的雙向轉(zhuǎn)動和調(diào)速。

05 布線

大電流線路要盡量的短粗，并且盡量避免經(jīng)過過孔，一定要經(jīng)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(yīng)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(jīng)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(shè)計中，NMOS管的源極于地之間曾經(jīng)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。

低壓驅(qū)動電路的簡易柵極驅(qū)動

一般功率場效應(yīng)管的最高柵源電壓為20V左右，所以在24V應(yīng)用中要保證柵源電壓不能超過20V，增加了電路的復(fù)雜程度。但在12V或更低電壓的應(yīng)用中，電路就可以大大簡化。

上圖就是一個12V驅(qū)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。由于場效應(yīng)管柵極電容的存在，通過R3，R4向柵極電容充電使場效應(yīng)管延緩導通；而通過二極管直接將柵極電容放電使場效應(yīng)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(shè)備接入后，要經(jīng)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(guān)，信號邊緣越陡峭，R3、R4可以選的越小，開關(guān)速度也就可以做的越快。

邊沿延時驅(qū)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(yīng)管的共態(tài)導通。另外，這樣做可以使后級的柵極驅(qū)動電路簡化，可以是低阻推挽驅(qū)動柵極，不必考慮柵極電容，可以較好的適應(yīng)不同的場效應(yīng)管。下圖是兩種邊沿的延時電路：

下圖是對應(yīng)的NMOS、PMOS柵極驅(qū)動電路：

這個柵極驅(qū)動電路由兩級三極管組成：前級提供驅(qū)動場效應(yīng)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。

其他幾種驅(qū)動電路

01 繼電器+半導體功率器件

繼電器有著電流大，工作穩(wěn)定的優(yōu)點，可以大大簡化驅(qū)動電路的設(shè)計。在需要實現(xiàn)調(diào)速的電機驅(qū)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(zhuǎn)向，而用單個的特大電流場效應(yīng)管（比如IRF3205，一般只有N型特大電流的管子）來實現(xiàn)PWM調(diào)速，如下右圖所示。這樣是實現(xiàn)特別大電流驅(qū)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。

02 步進電機驅(qū)動

?小功率4相步進電機的驅(qū)動

下面是一種驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)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(xiàn)(也要有定期監(jiān)控)，為了使4相8拍容易實現(xiàn)，鎖存器與驅(qū)動部分采用了交叉連接。

步進電機工作在四相八拍模式，對應(yīng)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(qū)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

AJMPLOOP;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(shù)位有如下循環(huán)：

1000→1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000

其偶數(shù)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(shù)位和偶數(shù)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(jù)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(qū)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(yīng)該取各種可能的周期的最大公約數(shù)。換句話說，一旦電機周期取定，每個電機移位的周期應(yīng)該是它的倍數(shù)。

在程序中，對每個電機的相應(yīng)時刻設(shè)定相應(yīng)的分頻比值，同時用一個變量進行加一計數(shù)：每到一個電機周期若計數(shù)變量<分頻比值，則計數(shù)變量加1；若相等，則移位，計數(shù)變量清零。這樣就實現(xiàn)了分頻調(diào)速，可以讓多個電機同時以不同的速度運轉(zhuǎn)。

另外，也可以采用傳統(tǒng)的查表方式進行驅(qū)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。

?步進電機的智能驅(qū)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(jù)輸出功率的要求對每相恒流驅(qū)動，總體電流順序又符合轉(zhuǎn)動順序。需要力矩小的時候應(yīng)及時減小電流，以降低功耗。該方案實現(xiàn)的電路，可以采用獨立的單片機或CPLD加場效應(yīng)管驅(qū)動電路以及電流采樣反饋電路。

審核編輯 黃昊宇