为习惯小型直流电机的运用需求，各半导体厂商推出了直流电机操控专用集成电路，构成根据微处电子产品世界http://www.eepw.com.cn/article/87495.htm理器操控的直流电机伺服体系。可是，专用集成电路构成的直流电机驱动器的输出功率有限，不适合大功率直流电机驱动需求。因而选用N沟道增强型场效应管构建H桥，完成大功率直流电机驱动操控。该驱动电路可以满意各种类型直流电机需求，并具有快速、准确、高效、低功耗等特色，可直接与微处理器接口，可使用PWM技能完成直流电机调速操控。
2 直流电机驱动操控电路整体结构
直流电机驱动操控电路分为光电阻隔电路、电机驱动逻辑电路、驱动信号扩大电路、电荷泵电路、H桥功率驱动电路等四部分，其电路框图如图1所示。
由图可以看出，电机驱动操控电路的外围接口简略。其首要操控信号有电机作业方向信号Dir电机调速信号PWM及电机制动信号Brake，Vcc为驱动逻辑电路部分供给电源，Vm为电机电源电压，M+、M-为直流电机接口。
在大功率驱动体系中，将驱动回路与操控回路电气阻隔，削减驱动操控电路对外部操控电路的搅扰。阻隔后的操控信号经电机驱动逻辑电路发生电机逻辑操控信号，别离操控H桥的上下臂。因为H桥由大功率N沟道增强型场效应管构成，不能由电机逻辑操控信号直接驱动，有必要经驱动信号扩大电路和电荷泵电路对操控信号进行扩大，然后驱动H桥功率驱动电路来驱动直流电机。
3 H桥功率驱动原理
直流电机驱动运用最广泛的就是H型全桥式电路，这种驱动电路方便地完成直流电机的四象限运转，别离对应正转、正转制动、回转、回转制动。H桥功率驱动原理图如图2所示。
H型全桥式驱动电路的4只开关管都作业在斩波状况。S1、S2为一组，S3、S4为一组，这两组状况互补，当一组导通时，另一组有必要关断。当S1、S2导通时，S3、S4关断，电机两头加正向电压完成电机的正转或回转制动;当S3、S4导通时，S1、S2关断，电机两头为反向电压，电机回转或正转制动。
实践操控中，需求不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和回转之间切换，也就是在S1、S2导通且S3、S4关断到S1、S2关断且S3、S4导通这两种状况间转化。这种状况理论上要求两组操控信号彻底互补，可是因为实践的开关器材都存在导通和关断时刻，肯定的互补操控逻辑会导致上下桥臂直通短路。为了防止直通短路且确保各个开关管动作的协同性和同步性，两组操控信号理论上要求互为倒相，而实践有必要相差一个满意长的死区时刻，这个校对进程既可通过硬件完成，即在上下桥臂的两组操控信号之间添加延时，也可通过软件完成。
图2中4只开关管为续流二极管，可为线圈绕组供给续流回路。当电机正常运转时，驱动电流通过主开关管流过电机。当电机处于制动状况时，电机作业在发电状况，转子电流有必要通过续流二极管流转，不然电机就会发热，严峻时乃至焚毁。
4 直流电机驱动操控电路规划
由直流电机驱动操控电路框图可以看出驱动操控电路结构简略，首要由四部分电路构成，其间光电阻隔电路较简略，在此不再介绍，下面临直流电机驱动操控电路的其他部分进行具体介绍。
4.1 H桥驱动电路规划
在直流电机操控中常用H桥电路作为驱动器的功率驱动电路。因为功率MOSFET是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特色，满意高速开关动作需求，因而常用功率MOSFET构成H桥电路的桥臂。H桥电路中的4个功率MOSFET别离选用N沟道型和P沟道型，而P沟道功率MOSFET一般不用于下桥臂驱动电机，这样就有两种可行计划：一种是上下桥臂别离用2个P沟道功率MOSFET和2个N沟道功率MOSFET;另一种是上下桥臂均用N沟道功率MOSFET。
相对来说，使用2个N沟道功率MOSFET和2个P沟道功率MOSFET驱动电机的计划，操控电路简略、成本低。但因为加工工艺的原因，P沟道功率MOSFET的功能要比N沟道功率MOSFET的差，且驱动电流小，多用于功率较小的驱动电路中。而N沟道功率MOSFET，一方面载流子的迁移率较高、频率呼应较好、跨导较大;另一方面能增大导通电流、减小导通电阻、下降成本，减小面积。归纳考虑体系功率、牢靠性要求，以及N沟道功率MOSFET的长处，本规划选用4个相同的N沟道功率MOSFET的H桥电路，具有较好的功能和较高的牢靠性，并具有较大的驱动电流。其电路图如图3所示。图中Vm为电机电源电压，4个二极管为续流二极管，输出端并联一只小电容C6，用于下降理性元件电机发生的尖峰电压。
4.2 电荷泵电路规划
电荷泵的基本原理是通过电容对电荷的堆集效应而发生高压，使电流由低电势流向高电势。最早的抱负电荷泵模型是J.Dickson在1976年提出的，其时这种电路是为可擦写EPROM供给所需电压。后来J.Witters，Toru Tranzawa等人对J.Dickson的电荷泵模型进行改善，提出了比较准确的理论模型，并通过试验加以证明提出了相关理论公式。跟着%&&&&&%的不断发展，根据低功耗、低成本的考虑，电荷泵在电路规划中的使用越来越广泛。
简略电荷泵原理电路图如图4所示。电容C1的A端通过二极管D1接Vcc，电容C1的B端接振幅Vin的方波。当B点电位为0时，D1导通，Vcc开端对电容C1充电，直到节点A的电位到达Vcc;当B点电位上升至高电平Vin时，因为电容两头电压不能骤变，此刻A点电位上升为Vcc+Vin。所以，A点的电压就是一个方波，最大值是Vcc+Vin，最小值是Vcc(假定二极管为抱负二极管)。A点的方波通过简略的整流滤波，可供给高于Vcc的电压。
在驱动操控电路中，H桥由4个N沟道功率MOSFET组成。若要操控各个MOSFET，各MOSFET的门极电压有必要满意高于栅极电压。一般要使MOSFET彻底牢靠导通，其门极电压一般在10 V以上，即VCS>10 V。关于H桥下桥臂，直接施加10 V以上的电压即可使其导通;而关于上桥臂的2个MOSFET，要使VGS>10 V，就有必要满意VG>Vm+10 V，即驱动电路有必要能供给高于电源电压的电压，这就要求驱动电路中增设升压电路，供给高于栅极10 V的电压。考虑到VGS有上限要求，一般MOSFET导通时VGS为10 V～15 V，也就是操控门极电压随栅极电压的改动而改动，即为起浮栅驱动。因而在驱动操控电路中规划电荷泵电路，用于供给高于Vm的电压Vh，驱动功率管的导通。其电路原理图如图5所示。
电路中A部分是方波发生电路，由RC与反相施密特触发器构成，发生振幅为Vin=5 V的方波。B部分是电荷泵电路，由三阶电荷泵构成。当a点为低电平时，二极管D1导通电容C1充电，使b点电压Vb=Vm-Vtn;当a点为高电平时，因为电容C1电压不能骤变，故b点电压Vb=Vm+Vin-Vtn，此刻二极管D2导通，电容C3充电，使c点电压Vx=Vm+Vin-2Vtn;当a点再为低电平时，二极管D1、D3导通，别离对电容C1、C2充电，使得d点电压Vd=Vm+Vin-3Vtn;当a点再为高电平时，因为电容C2电压不能骤变，故d点电压变为Vd=Vm+2Vin-3Vtn，此刻二极管D2、D4导通，别离对%&&&&&%C3、c4充电，使e点电压Ve=Vm+2Vin-4Vtn。这样如此循环，便在g点得到比Vm高的电压Vh=Vm+3Vin-6tn=Vm+11.4 V。其间Vm为二极管压降，一般取0.6 V。然后确保H桥的上臂彻底导通。
4.3 电机驱动逻辑与扩大电路规划
直流电机驱动电机驱动电路中电机驱动逻辑及扩大电路首要完成外部操控信号到驱动H桥操控信号的转化及扩大。操控信号Dir、PWM、Brake经光电阻隔电路后，由门电路进行译码，发生4个操控信号M1、M2、M3、M4，然后经三极管扩大，发生操控H桥的4个信号M1、M2、M3、M4。其电路原理图如图6所示。其间Vh是Vm经电荷泵提高的电压，Vm为电机电源电压。
电机作业时，H桥的上臂处于常开或常闭状况，由Dir操控，下臂由PWM逻辑电平操控，发生接连可调的操控电压。该计划中，上臂MOSFET只需在电机换向时才进行开关切换，而电机的换向频率极低，低端由逻辑电路直接操控，逻辑电路的信号电平切换较快，可以满意不同频率要求。该电路还有一个长处，因为上臂敞开较慢，而下臂关断较快，所以，实践操控时换向不会呈现上下臂瞬间一起导通现象，减小了换向时电流冲击，提高了MOSFET的寿数。
5 直流电机PWM调速操控
直流电动机转速n=(U-IR)/Kφ
其间U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。
直流电机转速操控可分为励磁操控法与电枢电压操控法。励磁操控法是操控磁通，其操控功率小，低速时遭到磁饱满约束，高速时遭到换向火花和换向器结构强度的约束，而且因为励磁线圈电感较大动态呼应较差，所以这种操控办法用得很少。大多数使用场合都运用电枢电压操控法。跟着电力电子技能的前进，改动电枢电压可通过多种途径完成，其间PWM(脉宽调制)就是常用的改动电枢电压的一种调速办法。
PWM调速操控的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需求改动一个周期内接通和断开的时刻比(占空比)来改动直流电机电枢上电压的”占空比”，然后改动均匀电压，操控电机的转速。在脉宽调速体系中，当电机通电时其速度添加，电机断电时其速度减低。只需依照必定的规则改动通、断电的时刻，即可操控电机转速。而且选用PWM技能构成的无级调速体系.启停时对直流体系无冲击，而且具有发动功耗小、运转安稳的特色。
设电机一直接通电源时，电机转速最大为Vmax，且设占空比为D=t/T，则电机的均匀速度Vd为：
Vd=VmaxD
由公式可知，当改动占空比D=t/T时，就可以得到不同的电机均匀速度Vd，然后到达调速的意图。严厉地讲，均匀速度与占空比D并不是严厉的线性关系，在一般的使用中，可将其近似地当作线性关系。在直流电机驱动操控电路中，PWM信号由外部操控电路供给，并经高速光电阻隔电路、电机驱动逻辑与扩大电路后，驱动H桥下臂MOSFET的开关来改动直流电机电枢上均匀电压，然后操控电机的转速，完成直流电机PWM调速。
6 结束语
以N沟道增强型场效应管为中心，根据H桥PWM操控的驱动操控电路，对直流电机的正回转操控及速度调理具有杰出的作业功能。试验结果表明，直流电机驱动操控电路运转安稳牢靠，电机速度调理呼应快。可以满意实践工程使用的要求，有很好的使用远景。
