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發(fā)布日期:2022-10-21 點(diǎn)擊率:45
DQZHAN技術(shù)訊:電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計詳解
一、在電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計中,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)可靠性。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**的。
二、 三極管-電阻作柵極驅(qū)動
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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?;蛘哒f,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**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**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,*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*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。
三、 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*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。
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左圖就是一個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。
四、L298N電機(jī)驅(qū)動電路
1、工作原理分析:
在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊中,采用了帶光耦隔離,抗干擾能力強(qiáng)的TLP521作為隔離電流保護(hù)芯片,其中L297的17腳通過給高低電平來控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn),而18腳為步進(jìn)時鐘輸入端,控制每個步數(shù)的時間增量,19腳步進(jìn)電機(jī)的半步或者整步的選擇,10腳為使能控制端,來控制電機(jī)的啟停,而經(jīng)過內(nèi)部包含 4 信道邏輯驅(qū)動電路、高壓、大電流雙 H 橋式驅(qū)動器L298來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn);利用L298實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動及其正反轉(zhuǎn),并采用二極管進(jìn)行續(xù)流保護(hù),利用7805提供5v電源給控制器和l298芯片供電,這個電路在工作時間長的情況下容易發(fā)熱,造成電路不穩(wěn)定性缺點(diǎn)。
3.jpg
主要功能特點(diǎn)是:
關(guān)鍵芯片:L298N 雙H 橋直流/步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片
L298N 芯片工作電壓:DC 4.5~5.5V。
電機(jī)驅(qū)動電源電壓DC 5--35V。
電源輸入正常時有LED 燈指示。
PCB尺寸:4.4*5.0cm
*大輸出電流2A(瞬間峰值電流3A),*大輸出功率25W。
輸出正常時電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)有LED 燈指示。
具有二極管續(xù)流保護(hù)。
可單獨(dú)控制2臺直流電機(jī)或1臺兩相4 線(或6 線)步進(jìn)電機(jī)。
可以采用并聯(lián)接法控制一臺高達(dá)3A 的直流電機(jī)。
可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。
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。
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