石進(jìn)遠(yuǎn) 代月明 藺寧寧 張成

摘要： 介紹一種由場(chǎng)效應(yīng)管組成的H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，調(diào)速性能優(yōu)良，制動(dòng)能力強(qiáng)。闡述MOSFET集成驅(qū)動(dòng)芯片IR4227的工作原理，說(shuō)明STC12C5A60S2 2單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)的軟件設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：場(chǎng)效應(yīng)管；PWM；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；

本文介紹一種采用MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片[1]和MOSFET組成的用于PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路[2]。該電路H全橋電路驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、導(dǎo)通電阻小。

1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

現(xiàn)在設(shè)Q1和Q4管導(dǎo)通，電機(jī)運(yùn)行，如圖1所示。

一般MOSFET的RDS在毫歐級(jí)別，所以MOSFET的壓降VDS近似忽略。

這樣，out1點(diǎn)的電位就近似為電源電壓（電源電壓使用12V），out2點(diǎn)的電位就近似為0V。如果要導(dǎo)通Q4，Q4的柵極電壓要大于3V，單片機(jī)的I/O輸出可以達(dá)到5V，所以是可以順利導(dǎo)通Q4的。接下來(lái)，導(dǎo)通Q1必須至少在Q1的柵極施加15V的電壓，依靠單片機(jī)的I/O口輸出是辦不到的。所以，考慮到這個(gè)原因，設(shè)計(jì)出兩種H橋驅(qū)動(dòng)電路[3]。

一種是全N管的H橋電路，加MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片由升壓芯片將電壓提升到足夠超過(guò)N管的VGS閥值電壓來(lái)供電使其工作。另一種是P管加N管的驅(qū)動(dòng)橋，P管和N管組合搭建的H橋驅(qū)動(dòng)電路給在使用時(shí)解決驅(qū)動(dòng)電壓的問(wèn)題提供有效的方式。P型MOSFET只要柵極電壓小于源極電壓（VGS為負(fù)值），并且它的值小于某一負(fù)的電壓值，MOSFET的S極和D極就會(huì)導(dǎo)通，電流從S極流向D極。一般P型MOSFET的VGS閥值電壓都會(huì)在3V～20V之間。如圖2所示。

假設(shè)Q1和Q4導(dǎo)通，電機(jī)運(yùn)行。想要導(dǎo)通Q4（Q4是N型管），只需要給一個(gè)高電平信號(hào)就可以。想要導(dǎo)通Q1（Q1是P型管），只需要給一個(gè)低電平信號(hào)。

經(jīng)過(guò)對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)電路的比較后，為減少電路的復(fù)雜程度，使電路更為精簡(jiǎn)，最終選擇使用P型和N型MOSFET搭建的驅(qū)動(dòng)電路。

在使用IR44427的同時(shí)，的控制信號(hào)有兩個(gè)管腳，控制兩路信號(hào)。它的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的關(guān)系如圖3所示：

用一片IR4427及兩個(gè)P型和兩個(gè)N型MOSFET作為分立元件，來(lái)組成全橋的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。同時(shí)，因?yàn)闃蚴津?qū)動(dòng)電路的工作電流較大，為保證主控制器的穩(wěn)定工作，避免驅(qū)動(dòng)電路對(duì)主控制器產(chǎn)生干擾，再加上光耦隔離芯片。

本方案中選擇的是HCPL2630雙通道邏輯輸出光電耦合器，其輸入信號(hào)最大可達(dá)到1Mhz，完全滿足本系統(tǒng)電機(jī)控制的10Khz的需求。其應(yīng)用電路如圖310所示。理論上，輸入脈沖信號(hào)的占空比在0%之時(shí)電機(jī)速度為零，脈沖信號(hào)范圍在0～100%之間，對(duì)應(yīng)控制電機(jī)從靜止到滿轉(zhuǎn)。PWM1_1給PWM，PWM1_2給0，電機(jī)正轉(zhuǎn)。同理PWM1_2給PWM，PWM1_1給0，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

2 結(jié)語(yǔ)

電路設(shè)計(jì)時(shí)，采取合理的措施把強(qiáng)電和弱電隔離開來(lái)，MOSFET的強(qiáng)電干擾可以抑制。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的調(diào)速線性性能好，調(diào)速頻帶寬度打，可以在1～100K范圍內(nèi)工作。所要求的控制信號(hào)簡(jiǎn)單，很多邏輯都在驅(qū)動(dòng)器上用硬件設(shè)計(jì)。該驅(qū)動(dòng)器的保護(hù)電路性能良好，安全性高，無(wú)控制信號(hào)時(shí)，電機(jī)處于剎車狀態(tài)，可用于很多領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]王嚴(yán).基于單片機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京郵電大學(xué)碩士論文，2013.

[2]解俊.基于ARM的智能小車控制軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)碩士論文，2014.

[3]陳德益.基于嵌入式單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2010，01.

[4]高振天，袁偉.基于ARM的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[J].電氣技術(shù)，2012，09.

[5]馬潮.高檔8位單片機(jī)Atmega128原理與開發(fā)應(yīng)用指南[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.