宋玉宏，周定藝，詹金遠，黃創(chuàng)業(yè)

（順德職業(yè)技術學院 電子與信息工程學院，廣東 佛山 528333）

直流電機具有運轉平穩(wěn)、噪音低等優(yōu)點，廣泛用于電動類產(chǎn)品中。電機的起停、轉向及轉速等控制策略是電機驅動的關鍵問題。

傳統(tǒng)的電機驅動控制采用模擬方式，模擬控制電路復雜，精確性不高，功能擴展性受限，使得基于單片機的數(shù)字控制成為一種趨勢。本文研究以H橋電機驅動電路為工作電路，單片機把電機的起停、轉向和轉速指令發(fā)給邏輯控制電路，產(chǎn)生合理的信號作為H橋的四個控制端信號，防止H橋共態(tài)導通，保證電機的正常驅動。

驅動模塊的控制電路主要由單片機、邏輯電路、放大電路、H橋驅動電路、光電編碼測速以及電機六大部分構成，其總體設計方框圖如圖 1所示［1］。單片機發(fā)出的主要控制信號有電機轉向控制信號dir、電機轉速控制信號pwm、電機制動信號ret。這三路信號對電機動作的控制存在特定的邏輯關系，故由邏輯電路實現(xiàn)邏輯運算得到電機驅動的控制信號?？刂菩盘柦?jīng)過放大后接到H 橋電路的四個控制端，從而實現(xiàn)對電機的啟停、正反轉及速度的控制。利用光電編碼電路采集電機的實時轉速信號，反饋到單片機進行判斷后調(diào)整電機轉速控制信號pwm，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1 方案整體結構圖

本設計中的難點和重點是邏輯運算處理，H橋的選擇與光電編碼器的信號處理。

1 H橋電路設計

1.1 H橋電路的選取

在直流電機驅動中，可以采用電力晶體管（GTR） 集電極輸出型或射極輸出型驅動電路實現(xiàn)。但是這種驅動電路不能實現(xiàn)直流電機的四象限運行，電流不能反向，無制動能力，不能反向驅動。為實現(xiàn)電機的正、反轉控制，使用 H 型橋式電路。

H橋電路是一個典型的直流電機控制電路，因為它的電路形狀酷似字母H，故得名與“H橋”。4個三極管或場效應管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠。H橋電路在電機驅動電路中逐漸成為必不可少的一部分。這種驅動電路能方便地實現(xiàn)電機的四象限運行，即正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。H 橋功率驅動原理圖如圖 2 所示，組成 H橋驅動電路的4 只開關管工作在開關狀態(tài)，G1、G4為一組，G2、G3為一組，這兩組狀態(tài)為互補。

因本設計的電機驅動電路的功率較大，采用功率開關器件場效應管（MOSFET）組成H橋電路。MOSFET 是電壓控制型晶體管器件，具有輸入阻抗大、開關速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點。

圖2 H 橋驅動電路的3種方式

H 橋的開關管組合主要有 3 種方式［2］。如圖2所示，圖 2a中 H 橋的 4 個橋臂都使用 N 溝道增強型MOSFET 管；圖 2b中 H 橋的 4 個橋臂都使用 P 溝道增強型 MOSFET 管；圖 2c中上下橋臂分別使用 P 溝道增強型 MOSFET 管和 N溝道增強 MOSFET 管。

PMOS 管和 NMOS 管制造工藝不同，控制方法也不同。PMOS 管導通要求為柵極電壓小于源極電壓；NMOS管導通要求為柵極電壓大于源極電壓。

N溝道MOS管品種多，開關速度快，成本較低等特點，表面上看H 橋 4 個橋臂易于使用 N 溝道MOS 管即圖 2a類電路。 假如電機正轉，即Q1和 Q4導通，柵極G4電壓應該高于源極S4電壓，G1電壓應該高于源極S電壓。由于此時 Q1 的源極電壓近似等供電電壓VCC，因此就要求 G1電壓 必須大于（VCC+Vgs），除非作一個升壓電路，否則是比較難實現(xiàn)的，因此2a類電路這種連接方式反而比較少見，故H橋電路不采用此種設計。

圖2b類電路中若要使電機正轉，G4 電壓就必須低于0 V- Vgs，所以可不用采取升壓電路等措施從而降低電路復雜程度，但 P 溝道 MOSFET 管的品種少，價格較高，導通電阻和開關速度等都不如 N 溝道 MOSFET 管，考慮到成本，性能等方面，所以本文不采用該電路進行設計。

圖2c類電路結合了上述兩種電路各自的優(yōu)點，使用方便。本文采用此方案設計H橋，即利用兩個N 溝道增強型MOSFET管和兩個P溝道增強型MOSFET管驅動電機的方案，控制電路簡單、成本相對較低。

1.2 電路設計

該設計中H橋上臂MOSFET為 P溝道增強型MOS管。下臂 MOSFET為N溝道增強型MOS管。專用集成芯片F(xiàn)DS8958B內(nèi)部集成了NMOS管與PMOS管，故采用兩塊芯片，可以組成所要求的H橋，且組成的電路簡單，集成度高，抗干擾能力強。電路如圖3所示。

圖3 電機驅動電路圖

當電源瞬間斷開或者電機瞬間反轉時，由于電機屬于感性負載，電機會阻礙電流的變化，表現(xiàn)為電機的兩端產(chǎn)生反向電動勢。由于大部分的MOSFET管內(nèi)部集成了續(xù)流二極管，因此可以將該電流旁路到電源回路，但是這樣會造成主板電壓的瞬變或噪聲，故在在電源輸入端并聯(lián)一個100 pF的高耐壓低ESR的電容C1（瓷質(zhì)電容或鉭電容）到地，同時再并聯(lián)一個0.1 uF的電解電容C2，通過如上電容吸收電機反向電動勢的能量，避免對系統(tǒng)電源的沖擊。

2 電機驅動邏輯電路設計

在邏輯運算電路中采用了四門或非運算集成芯片74hc02d［3］。相對于單門或非芯片來說。集成度高，降低了電路上的復雜程度，抗干擾能力強，在成本上也得到了控制。

電機驅動邏輯電路如圖 4 所示，單片機送來的控制信號 dir、pwm、ret作為輸入信號經(jīng)過一系列或非運算得到輸出控制信號提供給H橋的四個柵極G1，G2，G3和G4，從而實現(xiàn)電機的正反轉和制動。

三個輸入信號、四個輸出信號的邏輯關系與電機工作狀態(tài)如圖5所示。

dir與ret通過或非運算后的結果為H橋驅動電路中G4的控制信號；

dir與ret的運算結果再與ret進行或非運算后的結果為G3的控制信號，其運算結果再與pwm進行或非運算得到的結果為G1的控制信號；

dir與ret的運算結果與pwm進行或非運算后的結果為G2的控制信號。

再通過軟件編程處理，即當制動開關ret信號為高電平（即高電平有效）時，脈沖調(diào)速信號pwm端口輸出高電平經(jīng)過或非運算與隔離間接控制G1、G2，即上橋臂截止，從而達到正反轉的制動即剎車作用。

圖4 電機驅動邏輯電路圖

圖5 信號關系及電機工作狀態(tài)

邏輯電路的信號電平切換較快，可以滿足不同頻率的要求。在該邏輯電路中也可以達到從硬件上排除換向出現(xiàn) H橋電路上下臂瞬間同時導通現(xiàn)象，即對MOSFET管起到了硬件上的保護作用，從而提高了MOSFET管的使用壽命與其性能保障。

3 轉速采集反饋電路

光碼盤具有分辨率高、輸出精度優(yōu)良以及壽命長等特點，因此這里采用光碼盤測速，其示意圖如圖6所示。

圖6 光碼盤示意圖

紅外對管分別置于碼盤的兩側，碼盤隨著電機轉運時，碼盤上的透光孔可以透過發(fā)射管的紅外光，接收管接收到紅外光從而導通，電動轉動一圈，碼盤透光孔的個數(shù)決定了透過紅外線的次數(shù)，即接收管導通的次數(shù)。典型的光碼盤有 TLP507A、T LP800等［4］。

紅外對管接收紅外信號的次數(shù)受碼盤運動的控制，光線透過時，接收管導通；光線被遮擋時，接收管截止。接收管導通、關斷的兩種狀態(tài)輸出形成脈沖波形信號送到單片機，單片機計算單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)。因單位時間脈沖數(shù)與轉數(shù)成正比，可以得到轉速的實際值，進而判斷是否達到轉速期望值。判斷后再調(diào)整在邏輯電路中轉速控制信號pwm的占空比，依此開成閉環(huán)反饋，使轉速達到穩(wěn)定，軟件設計流程圖如圖7所示。

圖7 調(diào)速軟件設計流程圖

4 結論

本文采用單片機作為電機驅動的控制器，以FDS8958B 為驅動芯片實現(xiàn)了對直流電機啟停、轉向的控制［5］。設計了實用的 H橋電機驅動電路，以及電機驅動邏輯電路，不僅實現(xiàn)了對直流電機的方向及速度控制，也有效防止了H橋同側的共態(tài)導通。設計中集成芯片的使用，簡化了整個系統(tǒng)的結構，使得硬件調(diào)試方便，工作可靠性高，更為重要的是減少了數(shù)字控制的工作量，從而減少成本。

本文把設計方案運用到智能掃地機器人，采用以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32單片機編程。通過實際測試，掃地機器人實現(xiàn)了快速清掃、避障轉向或制動等智能功能，并且電路工作穩(wěn)定可靠，滿足實際工程應用要求。

［1］ 胡發(fā)煥，楊杰，邱小童.大功率直流電機驅動電路的設計［J］.機械與電子，2009（10）：77-80.

［2］ 曾國強，葛良全.機器人比賽中直流電機驅動電路的設計［J］.微計算機信息，2008，24（14）：236-238.

［3］ 閻石.數(shù)字電子技術基礎［M］.5 版.北京：高等教育出版社，2006.

［4］ 宋玉鋒，束慧.直流電動機測速裝置的設計：基于2017年全國大學生電子設計競賽項目［J］.南通職業(yè)大學學報，2017，31（3）：67-71.

［5］ 李雪艷.智能掃地車系統(tǒng)設計與研究［J］.機電信息，2015（33）：179-182.