自動(dòng)控制中的幾種小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路?

在自動(dòng)控制中，計(jì)算機(jī)控制一直成為人們的關(guān)注焦點(diǎn)，但控制的實(shí)現(xiàn)還得借助電子控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是一個(gè)最為普遍的問(wèn)題。本文所給出的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路集錦相當(dāng)直觀，但卻各具特色，可用于不同的控制需求。?

直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)比較簡(jiǎn)單，既可通過(guò)繼電器或功率晶體管驅(qū)動(dòng)，也可利用可控硅或功率型MOS場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)。為了適應(yīng)不同的控制要求（如電機(jī)的工作電流、電壓，電機(jī)的調(diào)速，直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制等），下面介紹幾種電路，滿足這些要求。

圖1電路利用了達(dá)林頓晶體管擴(kuò)大電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流，圖示電路將BG1的5A擴(kuò)流到達(dá)林頓復(fù)合管的30A，輸入端可用低功率邏輯電平控制。

上述電路采用的驅(qū)動(dòng)方式屬傳統(tǒng)的單臂驅(qū)動(dòng)，它只能使電機(jī)單向運(yùn)轉(zhuǎn)，雙臂橋式推挽驅(qū)動(dòng)可使控制更為靈活。圖2為一款單端邏輯輸入控制的橋式驅(qū)動(dòng)電路，它控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)工作，這個(gè)電路的另一個(gè)特點(diǎn)是控制供電與電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電可以分開，因此它較好地適應(yīng)了電機(jī)的電壓要求。?

圖3也為單端正負(fù)電平驅(qū)動(dòng)橋式電路，它采用雙組直流電源供電，該電路實(shí)際是兩個(gè)反相單臂驅(qū)動(dòng)電路的組合。圖3也能控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。?

圖4電路以達(dá)林頓管為基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，它由完全對(duì)稱的兩部分組成。當(dāng)?A、B兩輸入端之一為髙電平，另一端為低電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；當(dāng)兩輸入端同為高或低電平時(shí)，?電機(jī)停轉(zhuǎn)；如采用脈寬調(diào)制，則可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此圖4具有四種組合輸入狀態(tài)，電機(jī)卻可以產(chǎn)生五種運(yùn)行狀態(tài)。這里箝位二極管D1、D2的加入具有重要的作用，它使達(dá)林頓管?BG2，BG3不會(huì)產(chǎn)生失控，這在大功率下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)更顯安全。本電路的另一特點(diǎn)是輸入控制邏輯電平的高低與電機(jī)的直流工作電壓無(wú)關(guān)，用TTL標(biāo)準(zhǔn)電平就能可靠地控制。

與圖4相比，圖5的橋式驅(qū)動(dòng)電路更為有趣，其一它是以低電平觸發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；其二控制端?A、B具有觸發(fā)鎖定功能；其三具有多種保護(hù)，如D1、D2的觸發(fā)鎖定，D3—D6的功率管集電極保護(hù)等。因此本電路只有三種輸入狀態(tài)有效，電機(jī)仍有五種工作狀態(tài)。D1?，D2的作用是：若A為低電平時(shí)，BG1、BG2、BG5導(dǎo)通，BG2集電極的髙電平將通過(guò)D2封鎖B端的輸入，保證BG6截止，若本電路采用TTL電路觸發(fā)，必須選用集電極開路門電路。?

因電機(jī)對(duì)供電穩(wěn)定的要求并不高，圖?6的驅(qū)動(dòng)電路不失為一種交流供電方案，交流電經(jīng)全橋整流后，驅(qū)動(dòng)并聯(lián)使用的?MOS場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2，R3、C1起濾波作用；續(xù)流二極管D用以防止高電壓對(duì)Q1、?Q2的破壞。

圖7利用可控硅的整流特性驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，本電路僅適用于小功率電機(jī)調(diào)速，R2，C3的濾波網(wǎng)絡(luò)可以吸收電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)保護(hù)SCR，C2與L組成的濾波器，能抑制電網(wǎng)干擾。?

用集成電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)的情況也較多，和一般的三端穩(wěn)壓器直接驅(qū)動(dòng)不同，圖8電路使電機(jī)可以獲得從0V至7V的驅(qū)動(dòng)電壓，因而具有低壓調(diào)速性能，IC1為

正輸出的固定穩(wěn)壓器，IC2為可調(diào)負(fù)輸出的四端穩(wěn)壓器，調(diào)節(jié)R1可以使電機(jī)獲得零電壓，由于IC2的散熱片內(nèi)部與輸入端相連，因此IC1，?IC2可用公共散熱器，以適應(yīng)低壓工作。

圖9采用功率型運(yùn)放驅(qū)動(dòng)電機(jī)，屬橋式驅(qū)動(dòng)電路，控制信號(hào)從R1，R2，RP1，?RP2組成的惠斯登電橋臂上得到，若RP2用于信號(hào)的檢測(cè)，電機(jī)對(duì)RP1進(jìn)行反饋跟蹤調(diào)節(jié)，則可實(shí)現(xiàn)誤差比例控制，這里L(fēng)M378可提供最大達(dá)1A的驅(qū)動(dòng)電流，本電路在伺服系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。

幾種微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路分析?

以下所述電路用于3V供電的微型直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，這種電機(jī)有兩根引線，更換兩根引線的極性，電機(jī)換向。該驅(qū)動(dòng)電路要求能進(jìn)行正反轉(zhuǎn)和停止控制。????????

電路一：?

如下圖所示，這電路是作者最初設(shè)計(jì)的電路，P1.3、P2.2和P2.4分別是51單片機(jī)的IO引腳。設(shè)計(jì)的工作原理是：當(dāng)P1.3高電平、?P2.2和P2.4都為低電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)。此時(shí)，Q1和Q4導(dǎo)通，Q2和Q3截止，電流注向?yàn)椋?VàR1àQ1àMàQ4；當(dāng)P1.3低電平、?P2.2和P2.4都為高電平時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。此時(shí)，Q2和Q3導(dǎo)通，Q1和Q4截止。P2.2為高電平同時(shí)P2.4為低電平時(shí)，電路全不通，電機(jī)停止。?

圖中電阻：R1＝20Ω，R2＝R3＝R4＝510Ω

但實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況去出人意料，即電機(jī)正向和反向都不轉(zhuǎn)。經(jīng)測(cè)量，當(dāng)P1.3高電平，P2.2和P2.4都為低電平時(shí)，Q4導(dǎo)通，但Q1不導(dǎo)通，P1.3的電平只有0.67V左右，這樣Q1無(wú)法導(dǎo)通。????????

經(jīng)分析原因如下：51的P1、P2、P3各引腳都是內(nèi)部經(jīng)電阻上拉，對(duì)地接MOSFET管，所謂高電平，是MOSFET截止，引腳上拉電阻拉為高電平。若此內(nèi)部上拉電阻很大，比如20K，則當(dāng)上圖電路接上后，則流過(guò)Q1的b極的電流最大為（5-0.7）/20mA=0.22mA，難以動(dòng)Q1導(dǎo)通。所以此電路不通。????????

總結(jié)：51單片機(jī)的引腳上拉能力弱，不足以驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通。

電路二：

如下圖所示：這個(gè)電路中四個(gè)三極管都采用PNP型，這樣，導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)是控制引腳輸出低電平，而51的低電平時(shí)，是通過(guò)MOSFET接地，所以下拉能力極強(qiáng)。?

但此電路的Q1和Q3需要分別控制，所需控制引腳較多。如果要用一個(gè)IO腳控制則可以加一個(gè)反相器。???????

但此電路的Q1和Q3需要分別控制，所需控制引腳較多。如果要用一個(gè)IO腳控制則可以加一個(gè)反相器。如圖3所示。圖中標(biāo)有各點(diǎn)實(shí)測(cè)電壓值。

電路三：?

在電路二中，由于Q2和Q4的發(fā)射極高出基極一個(gè)0.7V，而基極最低為0V，實(shí)際由于CPU引腳內(nèi)部有MOSFET管壓降，所以Q2和Q4的發(fā)射極不會(huì)低于1V，這樣使M兩端的有效電壓范圍減小。?

要解決這一問(wèn)題，則Q2和Q4需換成NPN管。但NPN管的驅(qū)動(dòng)如電路一所示，只靠CPU引腳的上拉是不行了，所以需要另加上拉電阻，如下圖所示。

上圖中，與電路一不同的是兩只NPN管移到了下方，PNP在上方，這樣，Q1和Q3的集電極的電位最低可達(dá)到一個(gè)管壓降（0.3V）。這樣增加了M的壓降范圍。?

但為了保證對(duì)NPN管的足夠的驅(qū)動(dòng)，P1.3和P2.2必須加上拉電阻，如圖所示。圖中，R2、R5、R6都不可少。所以這種電路的元件用量比較大。?

還有，R5應(yīng)該比R6大幾倍，比如10倍，這樣，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，P1.3處的電壓可以分得較大，不致于使Q2導(dǎo)通。如果R5太小或?yàn)?，則當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，由于P1.3處的壓降只有0.7V左右，將使Q2也導(dǎo)通。?

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，R2、R6、R3、R4可取510Ω，R5取5.1kΩ。這種值下各處的電壓如下（R1為20歐）：???????

U1：4.04????????U2：2.99????????U3：3.87????????U4：4.00????????U5：0.06????????U7：0.79??

電路四：?

這個(gè)電路由電路一改造而來(lái)，如下圖5，圖中標(biāo)有各點(diǎn)實(shí)測(cè)電壓值：

此圖中基極的限流電阻都去掉了，因?yàn)樽髡咴O(shè)計(jì)的電路對(duì)元件要求要少。從電路上分析，不要沒什么關(guān)系，有R1起著總的限流作用，而且引腳內(nèi)部有上拉電阻，這樣保證電路不會(huì)通過(guò)太大的電流。?

這個(gè)電路可以使電機(jī)運(yùn)行。?

但在R2的選擇上，比較講究，因?yàn)镽2的上拉作用不但對(duì)Q1有影響，而且對(duì)Q2的導(dǎo)通也有影響。如果R2選的過(guò)小，則雖然對(duì)Q1的導(dǎo)通有利，但對(duì)Q2的導(dǎo)通卻起到抵制作用，因?yàn)镽2越小，上拉作用越強(qiáng)，Q2的導(dǎo)通是要P1.3電位越低越好，所以這是矛盾的。也就是說(shuō)，Q1的導(dǎo)通條件和Q2的導(dǎo)通條件是矛盾的。?

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，R2取5.1k歐比較合適。由此可見，這個(gè)電路雖然很省元件和CPU引腳，但驅(qū)動(dòng)能力有個(gè)最大限，即Q1和Q2的驅(qū)動(dòng)相互制約下，只能取個(gè)二者都差不多的折中方案。否則如果一個(gè)放大倍數(shù)大，則另一個(gè)則會(huì)變小。?

總結(jié)：以上電路各有利弊，要視應(yīng)用場(chǎng)合選用。