中心論題：
- 在直流電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)中，主要考慮功能和性能等方面的因素
- 分別介紹幾種不同的柵極驅(qū)動電路并比較其性能優(yōu)缺點(diǎn)
- 介紹PWM調(diào)速的實(shí)現(xiàn)算法及硬件電路
- 介紹步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方案
解決方案：
- 根據(jù)實(shí)際電路情況以及要求仔細(xì)選擇驅(qū)動電路
- 使用循環(huán)位移算法及模擬電路實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速
- 對每個電機(jī)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(jìn)行計(jì)數(shù)可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的分頻調(diào)速
直流電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)
在直流電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)中，主要考慮一下幾點(diǎn)：
功能：電機(jī)是單向還是雙向轉(zhuǎn)動？需不需要調(diào)速？對于單向的電機(jī)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(jī)即可，當(dāng)電機(jī)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(shí)現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速。
性能：對于PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動電路，主要有以下性能指標(biāo)。
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(jī)。
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(dǎo)通（H橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個問題，即兩個功率器件同時導(dǎo)通使電源短路）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(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。
4。對電源的影響。共態(tài)導(dǎo)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(dǎo)致地線電位浮動。
5?？煽啃?。電機(jī)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(fù)載，電路都是安全的。
三極管-電阻作柵極驅(qū)動
1．輸入與電平轉(zhuǎn)換部分：
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(dāng)驅(qū)動板與單片機(jī)分別供電時，這個電阻可以提供信號電流回流的通路。當(dāng)驅(qū)動板與單片機(jī)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(jī)主板的地線造成干擾。或者說，相當(dāng)于把驅(qū)動板的地線與單片機(jī)的地線隔開，實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。
高速運(yùn)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(zhǔn)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(fù)電源電壓，否則會出錯。因此在運(yùn)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(yùn)放，因?yàn)殚_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。
2．柵極驅(qū)動部分：
后面三極管和電阻，穩(wěn)壓管組成的電路進(jìn)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(jìn)行延時，防止H橋上下兩臂的場效應(yīng)管同時導(dǎo)通（“共態(tài)導(dǎo)通”）造成電源短路。
當(dāng)運(yùn)放輸出端為低電平（約為1V至2V，不能完全達(dá)到零）時，下面的三極管截止，場效應(yīng)管導(dǎo)通。上面的三極管導(dǎo)通，場效應(yīng)管截止，輸出為高電平。當(dāng)運(yùn)放輸出端為高電平（約為VCC-(1V至2V)，不能完全達(dá)到VCC）時，下面的三極管導(dǎo)通，場效應(yīng)管截止。上面的三極管截止，場效應(yīng)管導(dǎo)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(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于2千歐，因此三極管由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)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(dǎo)通轉(zhuǎn)換到截止時場效應(yīng)管柵極通過2千歐電阻充電卻需要一定的時間。相應(yīng)的，場效應(yīng)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到截止的速度要比由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)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(dǎo)通現(xiàn)象。
實(shí)際上，運(yùn)放輸出電壓變化需要一定的時間，這段時間內(nèi)運(yùn)放輸出電壓處于正負(fù)電源電壓之間的中間值。這時兩個三極管同時導(dǎo)通，場效應(yīng)管就同時截止了。所以實(shí)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。
3．場效應(yīng)管輸出部分：
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(dāng)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(jī)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)動方向。
4．性能指標(biāo)：
電源電壓15~30 V，最大持續(xù)輸出電流5A/每個電機(jī)，短時間（10秒）可以達(dá)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(dú)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(jī)控制。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向轉(zhuǎn)動和調(diào)速。
5．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(dǎo)線要盡可能的短粗，否則在大電流時，這段導(dǎo)線上的壓降可能會經(jīng)過正偏的穩(wěn)壓管和導(dǎo)通的三極管將其燒毀。在一開始的設(shè)計(jì)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?zhǔn)?。?dāng)然如果把穩(wěn)壓管換成電阻就不存在這個問題了。
在2004年的Robocon比賽中，我們主要采用了這個電路用以電機(jī)驅(qū)動。
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。（注意，跟上圖邏輯是反的）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(dǎo)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(dǎo)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(jī)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。Robocon比賽使用的升壓電路（原理相似）中，IN前用的是555。
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(jìn)行延時，再整形成方波，也可以避免場效應(yīng)管的共態(tài)導(dǎo)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?xùn)艠O，不必考慮柵極電容，可以較好的適應(yīng)不同的場效應(yīng)管。2003年Robocon比賽采用的就是這種驅(qū)動電路。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(dǎo)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。
其它幾種驅(qū)動電路
1． 繼電器＋半導(dǎo)體功率器件的想法
繼電器有著電流大，工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，可以大大簡化驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。在需要實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速，如下圖(a)所示。這樣是實(shí)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，接線如下圖(b)，線圈接線如下圖(c)：
(b)
(a)
(c)
2． 幾種驅(qū)動芯片
1） L298 參考http://www.21icsearch.com/searchpdf/st/L298N.pdf
2） A3952 參考http://www.allegromicro.com/datafile/archive/3952.pdf
3） A3940 參考http://www.allegromicro.com/datafile/3940.pdf
4） L6203 參考http://www.21icsearch.com/searchpdf/st/L6203.pdf
PWM調(diào)速的實(shí)現(xiàn)
1． 使用定時器的算法
//butcher補(bǔ)充一下吧
//算法原理
//編程實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)
//優(yōu)缺點(diǎn)
2． 使用循環(huán)移位的算法
產(chǎn)生PWM信號可以由定時器來完成，但是由于51內(nèi)部只提供了兩個定時器，因此如果要向三個或更多的直流電機(jī)輸出不同占空比的信號要反復(fù)設(shè)置定時器，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，我們采用一種比較簡單的方法不僅可以實(shí)現(xiàn)對更多的直流電機(jī)提供不同的占空比輸入信號，而且只占用一個定時器資源。這種方法可以簡單表述如下：
在內(nèi)存的某段空間內(nèi)存放各個直流電機(jī)所需的輸入信號占空比信息，如果占空比為1則保存0FFH(11111111B)；占空比為0。5則保存0F0H(11110000B)或任何2進(jìn)制數(shù)中包括4個0和4個1。即
占空比＝1的個數(shù)/8
具體選取什么樣的二進(jìn)制數(shù)要看輸出頻率的要求。若要對此直流電機(jī)輸出PWM信號，只要每個時間片移位一次取出其中固定的一位（可以用位尋址或進(jìn)位標(biāo)志C實(shí)現(xiàn)）送到電機(jī)端口上即可。另外，移位算法是一種對以前結(jié)果依賴的算法，所以最好定期檢查或重置被移位的數(shù)，防止移錯導(dǎo)致一直錯下去。
這種算法的優(yōu)點(diǎn)是獨(dú)立進(jìn)程，可以實(shí)現(xiàn)對多個電機(jī)的控制，缺點(diǎn)是占用資源較大，PWM頻率較低。
3． 模擬電路PWM的實(shí)現(xiàn)
上圖為一個使用游戲手柄或者航模搖桿上的線性電位器（或線性霍爾元件）控制兩個底盤驅(qū)動電機(jī)的PWM生成電路。J1是手柄的插座，123和456分別是x，y兩個方向的電位器。U1B提供半電源電壓，U1A是電壓跟隨。x，y分量經(jīng)過合成成為控制左右輪兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓信號。在使用中，讓L=(x+1)y/(x+1。4)，R=(x-1)y/(x-0。6)，經(jīng)過試驗(yàn)有不錯的效果（數(shù)字只是單位，不是電壓值）。經(jīng)過U1C和U1D組成的施密特振蕩器把電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的PWM信號，用來控制功率驅(qū)動電路。以U1D為例，R1，R2組成有回差的施密特電路，上下門限受輸入電壓影響，C1和R3組成延時回路，如此形成振蕩的脈寬受輸入電壓控制。Q1，Q2是三極管，組成反相器，提供差分的控制信號。具體振蕩過程參見對555振蕩器的分析。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動
1。 小功率4相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動
下面是一種驅(qū)動電路框圖：
達(dá)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(jìn)電機(jī)。四相步進(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)(也要有定期監(jiān)控)，為了使4相8拍容易實(shí)現(xiàn)，鎖存器與驅(qū)動部分采用了交叉連接。
步進(jìn)電機(jī)工作在四相八拍模式（即正轉(zhuǎn)的輸入信號為1000→1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000），對應(yīng)每個步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的工作。寄存器循環(huán)移位奇偶位分別作兩個步進(jìn)電機(jī)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
AJMP LOOP ；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(jìn)電機(jī)輸入信號。
而事實(shí)上每個電機(jī)的動作是不同的，為此我們在RAM中為每個電機(jī)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(jī)周期里，根據(jù)需要對每個電機(jī)的byte進(jìn)行移位，并用ANL指令將兩個電機(jī)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(jī)了。
步進(jìn)電機(jī)的速度由驅(qū)動脈沖的頻率決定，移位的周期不同，電機(jī)的速度也就不同了。前面提到的電機(jī)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(jī)周期取定，每個電機(jī)移位的周期應(yīng)該是它的倍數(shù)。在程序中，對每個電機(jī)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(jìn)行加一計(jì)數(shù):每到一個電機(jī)周期若計(jì)數(shù)變量<分頻比值，則計(jì)數(shù)變量加1；若相等，則移位，計(jì)數(shù)變量清零。這樣就實(shí)現(xiàn)了分頻調(diào)速，可以讓多個電機(jī)同時以不同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。
另外，也可以采用傳統(tǒng)的查表方式進(jìn)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(jìn)電機(jī)。
UCN5804B/LB是Allegro公司生產(chǎn)的4相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動專用芯片，它集成了控制邏輯，脈沖分配和功率推動，通過幾個管腳的電平來設(shè)定轉(zhuǎn)動方式，方向，通過改變外時鐘頻率來改變轉(zhuǎn)動速度，這給完成復(fù)雜的動作和測試步進(jìn)電機(jī)參數(shù)帶來了極大的方便。
2。 步進(jìn)電機(jī)的智能驅(qū)動方案
步進(jìn)電機(jī)有可以精確控制的優(yōu)點(diǎn)，但是功耗大，效率低，力矩小。如果選用大功率步進(jìn)電機(jī)，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(shí)現(xiàn)的電路，可以采用獨(dú)立的單片機(jī)或CPLD加場效應(yīng)管驅(qū)動電路以及電流采樣反饋電路。
附錄：幾種IRF場效應(yīng)管的參數(shù)
