基于较大功率的直流电机H桥驱动电路方案

      导读：近日， 本文详细分析和探讨了较大功率直流电机驱动电路设计中可能出现的各种问题， 有针对性设计和实现了一款基于25D60-24A 的直流电机驱动电路。 该电路驱动功率大， 抗干扰能力强， 具有广泛的应用前景。

　　该电路采用NMOS场效应管作为功率输出器件， 设计并实现了较大功率的直流电机H 桥驱动电路，并对额定电压为24 伏， 额定电流为3.8A 的25D60-24A 直流电机进行闭环控制， 电路的抗干扰能力强，在工业控制领域具有较强的适用性。许多半导体公司推出了直流电机专用驱动芯片， 但这些芯片多数只适合小功率直流电机， 对于大功率直流电机的驱动， 其集成芯片价格昂贵。

　　在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点：

　　1. 功能：电机是单向还是双向转动？需不需要调速？对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机

　　即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4 个功率元件组成的H 桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使

　　用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速。

　　2. 性能：对于PWM 调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。

　　1）输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。

　　2）效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防

　　止共态导通（H 桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。

　　3）对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或

　　光电耦合器实现隔离。

　　4）对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。

　　5）可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。H桥驱动电路： H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，因其外形酷似字母‘H',所以称作H桥驱动电路。

　　要使电机M运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如 当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。电机顺时针转动。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，驱动电机逆时针方向转动。

　　完整的晶体管H桥驱动电路，PWM1,PWM2,为电机方向控制输入端，PWM1=1,PWM2=0时正转，PWM=0,PWM2=1时电机反转。

　　PWM1,PWM2同时也是电机调速的脉宽输入端。

　　晶体管是为廉价的控制方法，但在晶体管上有明显的压降，会产生功率的损耗，效率不高，适宜应用在低电压，小功率的场合。

　　下图是场效应管组成的H桥驱动电路，场效应管是效率的控制方式，但价格较高，通常应用在大功率电机驱动场合。

　　上面都是有分立元件构成的电路，实际使用中制作麻烦，故障率高。通常采用集成的H桥驱动芯片，集成度高，使用方便，可靠性高。如L9110,L298N,LMD18200,TA7257P、SN754410,MC33886等。

　　L9110驱动电路：

　　L9110 是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC 之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，可直接与单片机接口，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750~800mA 的持续电流，峰值电流能力可达1.5~2.0A;同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。L9110 被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。

　　宽电压工作范围2.5V~12v.

　　L298N驱动电路：

　　L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，3~46V,输出电流大，瞬间峰值电流可达3A,持续工作电流为2A;额定功率25W.内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制，与单片机管脚直接连接；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作，有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。

　　VS 位电机驱动电源，VSS为逻辑控制电源。

　　下图中PA0~PA3为单片机的I/O脚，控制两个DC电机M1,M2正反转。

　　4相步进电机驱动电路

　　LMD18200驱动电路：

　　LMD18200 是美国国家半导体公司（NS）推出的专用于运动控制的H 桥组件。同一芯片上集成有CMOS 控制电路和DMOS 功率器件， 峰值输出电流高达6A , 连续输出电流达3A , 工作电压高达55V , 还具有温度报警和过热与短路保护功能。

　　内部集成了四个DMOS管，组成一个标准的H型驱动桥。通过充电泵电路为上桥臂的2个开关管提供栅极控制电压，充电泵

　　电路由一个300kHz左右的工作频率。可在引脚1、11外接电容形成第二个充电泵电路，外接电容越大，向开关管栅极输入电容充电速度越快，电压上升的时间越短，工作频率可以更高。引脚2、10接直流电机，正转时电流的方向应该从引脚步到引脚10;反转时电流的方向应该从引脚10到引脚2.电流检测输出引脚8可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。内部保护电路设置的过电流阈值为10A,当超过该值时会自动封锁输出，并周期性的自动恢复输出。如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚9输出，当结温达到145度时引脚9有输出信号。PB0,PB1为单片机的I/O口，PB0控制电机的正反转，PB1输入脉宽控制电机的转速。