无刷直流电机控制系统设计有哪几种设计方案

电机定时控制电路（要求隔10秒运行20秒）设计如下：

1、采用NE555构成的占空比可调的方波产生器电路

。

2、工作原理及相应计算，如图所示，电路只要一加上电压VDD，振荡器便起振。刚通电时，由于C上的电压不能突变，即2脚电位的起始电平为地电位，使555置位，3脚呈高电平。C通过RA、D1对其充电，充电时间t充=0.693*RA*C，当C上电压充到阈值电平2/3

VDD时，555复位，3脚转呈低电平，此时C通过Dl、RB、555内部的放电管放电，放电时间t放=0.693*RB*C。T=0.693*（RA+RB）*C，假设C为100UF的电容（可根据精度要求，选择使用电容），则，RA+RB=30/0.693/0.0001=433000欧=433K。

输出控制，采用3脚直接连接继电器，调整电位器至通20秒，断10秒，由继电器控制接触器控制电机。

异步电机如果不配合电动刹车之类的部件，由于惯性作用仍会继续旋转，因而不能实现这种要求，即使有光电或其它传感器也不行。

如果对速度和精度要求不高，可以使用减速器，这样控制的精确度会有所提高，但是仍然比不上步进电机的效果。

步进电机本身在锁定相位时就可以起到锁步的效果，除非施加了超过扭矩的外力才会跳到其它步的位置。

如果对方向有要求，即使是步进电机也应该有一个过零检测的光电或其它传感器，这样设备可以自动获知轴有没有转到正确的方向上的信息。

AJMP MAIN

MAIN: MOV A,#020H ；PC5口置1，绿灯亮，不工作

MOV DPTR,#8002

MOVX @DPTR,A

LCALL DELAY

LOOP:MOV DPTR,#8002

MOVX A,@DPTR

ANL A,#020H ；判断是否启动，若没启动则重新启动

JZ MAIN

MOV DPTR,#8002；判断工作模式；

MOVX A,@DPTR

ANL A,#01H

JNZ L1

MOV DPTR,#8002

MOVX A,@DPTR

ANL A,#02H

JNZ L2

MOV DPTR,#8002

MOVX A,@DPTR

ANL A,#04H

JNZ A,L3

L1: MOV DPTR,#DONE1 ；跳转到方式1的控制模型

JMP LP2

L2: MOV DPTR,#DONE2 ；跳转到方式2的控制模型

JMP LP2

L3: MOV DPTR,#DONE3 ；跳转到方式3的控制模型

JMP LP2

LP2：MOV DPTR,#8000；读入PA口设定的步数到R2

MOVX A,#DPTR

MOV R0,A

LP3: MOV DPTR,#8002 ；判断PC4口（正反转口）是否为0，为0电机反转

MOVX A,#DPTR

ANL A,#010H

JZ LP5

MOV A,#080H；PC4不为0,正转，红灯亮

MOV R1,#00H

LP4: MOV A,R1 ；P1口输出电机模型

MOVC A,@A+DPTR

JZ LP3

MOV P1,A

LCALL DELAY

INC R1 ；控制步数加1

DEC R0 ；剩余步数减1

LCALL LED ；LED显示剩余步数

DJNZ R0,LP4 ；步数未走完，继续

RET

LP5:MOV A,#040H ；PC4为0，反转，黄灯亮

MOV R1,A

AJMP LP4

DONE1:DB 01H,02H,04H,00H,01H,04H,02H,00H

DONE2:DB 03H,06H,05H,00H,03H,05H,06H,00H

DONE3:DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H,01H,05H,04H,06H,02H,03H,00H

DELAY: MOV R2,#0

DELAY0: MOV R4,DELAY0

RET

DISPLY:MOV A,#30H；(显示输出参考课本P68)

MOV DPTR,#8001

MOV @DPTR,A

MOV R2,#30H ；显示缓冲区首地址送R2

MOV R3,#04H ；位选码指向最左一位,第三位

DISPY1: MOV A,@R ；取出要显示的数

MOV DPTR,#SEGTAB ；指向换吗表首址

MOVC A,@A+DPTR ；取出显示码

MOV DPTR,#8001；从B口输出显示码

MOV A,R3 ；从P1口输入位选码

MOV P1,A

LCALL DELAY

MOV A,R3

JNB ACC.O,DISPY2

RET

DISPY2:INC R2；求下一位待显示的数的存放地址

MOV A,R3 ；求下一个位选码

RR A

MOV R3,A

AJMP DISPY1

DELAY: MOV R4,#20 ；延时程序

DELAY1: MOV R5,#0

DJNZ R5,DELAY1

DJNZ R4,DELAY1

RET

SEGTAB:

DB

3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H ；对应字符0 ~ F，8段管显示码

END

[导读]步进电机又称为脉冲电机，基于最基本的电磁铁原理，它是一种可以自由回转的电磁铁，其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。其原始模型是起源于年至年间。年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氢弧灯的电极输送机构中。

步进电机又称为脉冲电机，基于最基本的电磁铁原理，它是一种可以自由回转的电磁铁，其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。其原始模型是起源于年至年间。年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氢弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。二十世纪初，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。由于西方资本主义列强争夺殖民地，步进电机在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中得到了广泛的使用。二十世纪五十年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到了八十年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电机的控制方式更加灵活多样。

步进电机相对于其它控制用途电机的最大区别是，它接收数字控制信号电脉冲信号并转化成与之相对应的角位移或直线位移，它本身就是一个完成数字模式转化的执行元件。而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流控制系统相比，其成本明显减低，几乎不必进行系统调整。步进电机的角位移量与输入的脉冲个数严格成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而只要控制脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可获得所需的转角、速度和方向。

我国的步进电机在二十世纪七十年代初开始起步，七十年代中期至八十年代中期为成品发展阶段，新品种和高性能电机不断开发，目前，随着科学技术的发展，特别是永磁材料、半导体技术、计算机技术的发展，使步进电机在众多领域得到了广泛应用。

步进电机控制技术及发展概况

作为一种控制用的特种电机，步进电机无法直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源步进电机驱动器。在微电子技术，特别计算机技术发展以前，控制器脉冲信号发生器完全由硬件实现，控制系统采用单独的元件或者集成电路组成控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。这就使得需要针对不同的电机开发不同的驱动器，开发难度和开发成本都很高，控制难度较大，限制了步进电机的推广。

由于步进电机是一个把电脉冲转换成离散的机械运动的装置，具有很好的数据控制特性，因此，计算机成为步进电机的理想驱动源，随着微电子和计算机技术的发展，软硬件结合的控制方式成为了主流，即通过程序产生控制脉冲，驱动硬件电路。单片机通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出了电机的潜力。因此，用单片机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋。

步进电机控制系统的设计

传统的电流式控制方法是检测流经绕组的电流，并将反馈信号送到控制芯片，然后由控制芯片决定是增加还是降低绕组电流，以取得所需的电流强度。这种控制方法使电机在宽转速和宽电源电压范围内保持理想的转矩，非常适用于全步进和半步进电机驱动，而且实现起来非常容易。

闭环控制电路将电流施加到绕组。反电动势（BEMF）会降低绕组电压，延长电流达到理想值的时间，因此，反电动势限制电机转速。虽然系统无需知道反电动势值，但是，不重视且不修正这个数值将会导致系统性能降低。

因为电源电压变化导致峰值电流有时波动幅度很大，所以，直到现在，工程师还是尽量避免使用电压式控制方法。工程师们还想避免反电动势随着电机转速增加而升高的问题。

在这种情况下，业内出现了能够补偿反电动势的智能电压式控制系统。这种驱动方法使电机运转更顺畅，微步分辨率更高，是对高精度定位和低机械噪声要求严格的应用的理想选择。电压式控制是一种开环控制：当正弦电压施加到电机相位时，机电系统将回馈正弦电流。

我们可以用数字方法补偿反电动势和峰流变化。在记住电机的准确特性（电机电感-转速曲线、反电动势-转速曲线、电机电阻）后，计算并施加电压，以取得理想的电流值。

电压式控制方法是向电机施加电压，而不是恒流。施加的电压值能够补偿并完全消除反电动势效应，施加电压的上升速率与因电机转速增加而导致反电动势上升的速率相同，保证电流幅度对转速曲线平坦。在已知所需电流后，就可以确定取得该电流需要施加的准确电压值。因此，电流是由电压间接控制，如图1所示。

电压式控制还节省了分流电阻，可取得高微步分辨率和极低的转矩脉动。事实上，意法半导体的L6470取得了多达128步的微步控制。

这款数字电机控制驱动器的核心是一个能够降低微控制器资源占用率的数字运动引擎（DME）。

数字运动控制引擎是由行为命令控制，例如，绝对位置请求，并按照预设转速曲线边界驱动电机运动。全部指令集包括相对位置和绝对位置（达到目标位置）、转速跟踪（达到并保持目标转速）和电机停止顺序，还包括机械位置传感器管理专用命令。图2所示是前述部分命令。

该控制器通过具有菊花链功能的高速SPI总线接口与主微控制器通信。

通过一个串行接口，一个微控制器能够管理多个控制器，从而控制多台步进电机，如图3所示。

步进电机的开环控制

系统设计时首先考虑稳态性能。由允许的最大位置误差和要求的最高步进频率选择步进电机和驱动电路。完成了这种选择之后，接下来应考虑怎样对电机和驱动电路进行控制，怎样把它们连接到系统的其他部分。开环控制具有简单因而成本低等优点，常用于简易的经济型数控机床改造等技术中。图1是典型的开环控制系统的方框图。相控制信号可以由微处理机产生，也可以用某种形式的时序电路产生。不管这种信号怎样产生，设计者都需要知道它在定时上有些什么限制。例如特定负载转矩的最高步进频率；又如电机加速负载惯量的时间等。

开环控制方案中，负载位置对控制电路没有反馈，因此，步进电机必须正确地响应每次激磁变化。如果激磁变化太快，电机不能够移动到新的要求的位置，那么，实际的负载位置相对控制器所期待的位置将出现永久误差。如果负载参数基本上不随时间变化，则相控制信号的定时比较简单。但是，在负载可能变化的应用场合中，定时必须以最坏（即最大负载）情况进行设定。当然，这样确定的控制方案对所有其他负载并非最佳。

1. 启停频率

最简单的开环控制方式是步进频率恒定的那种控制方式（图2），电机在达到目标位置之前都以这个频率转动。相控制信号由时序发生器产生，时序发生器由来自恒频时钟的步进命令脉冲触发。“启动”信号接通这个时钟，使电机以等于钟频的步进频率运行；“停止”信号关断这个时钟，使电机停转。转动方向一开始就送到相时序发生器，因此，它产生的相控制信号能以合适的方向运转电机。目标位置送入减法计数器，并以这个计数器记录执行的步致。时钟脉冲同时送给相时序发生器和减法计数器。于是，相激励以恒定的钟频变化，减法计数器记录电机相对目标的瞬时位置。

负载达到目标位置时，减法计数器的内容成为零。时钟的“停止”信号利用这个零产生。如果恒定钟统频率太高，电机不能把负载惯量加速到对应的步进频率；系统或者完全不能工作，或者在行程的开始阶段失步。从静止开始，电机能响应而不失步的最高步进频率叫做“启动频率”。与此类似，“停止频率”是系统控制信号突然关断，而电机不冲过目标位置的最高步进频率。对任何电机-负载组合来讲，启动频率和停止频率之间的差别都很小。粘性摩擦使加速度和步进频率降低，但有助于减速，因此，提高了停止频率。不过，在简单的恒频系统里，时钟必须调整在两者之中较低的那个频率上，以此确保可靠的启动和停止。

电机从静止开始加速时，步进频率很低；每相激磁周期比相电路的电气时间常数长得多。在这种情况下，系统性能能够用电机的静转短／转子位置特性来分析。分析结果得知，（1）如果电机的转矩（TM）增大或负载转矩（TL）减小，则能提高启动额率；（2）减少系统惯量（电机惯量+负载惯量）也能提高启动频率。

在系统工作寿命内．由于零部件磨损，将影响负载转矩。为了允许负载转矩略为变化，恒频钟应比求得的启动频率略低，且可调。为了确保系统在工作速度情况下对机械谐振不敏感，还应考虑失步转矩／频率特性。如果算得启动频率恰巧等于谐振频率，那么，应改用较低频率的时钟，或者通过增加阻尼降低谐振影响。实际工作中，启动频率也常常通过试验求得。

2．加速和减速工作

因为步进电机系统的启动频率比它的最高运行频率低得多，因此，为了减少定位时间，常常通过加速使电机在接近最高的速度下运行。随着目标位置的逼近，为使电机平稳地停下来，重新使步进频率逐渐降低到启停电机频率。从初始位置往目标位置运动的整个过程中，步进频率都在变。若以曲线表示即得“速度曲线”，如图3所示。注意；减速可以比加速快得多，因为负载转矩帮助系统

制动；而且，电机产生的减速转矩比 （a）速度曲线；（b）对应的位置／时间响应曲线

加速转矩大。

3．开环控制的实现

对任何系统，选择控制方式都要考虑性能高和成本低等要求。例如，为了使加速方式最佳，也许要求按指数曲线上升，但是，实现的费用高。设计者也许会用比较简单的线性斜坡来折衷，因为这种斜坡能以很低成本实现。另一方面，集成电路工艺的迅速发展，使我们能以低价制成的芯片得到各种各样的电路功能，因此，估计以微处理机控制的潜在优点成为很现实的问题。在微机控制的系统中，常常可以把微处理机的富裕处理能力用来控制步进电机。这时，额外的存贮器成本和软件开发成本的增加很可能低于独立的硬件控制器的价格。

（1）以微处理机产生定时 微处理机很容易产生控制步进电机所要求的数字信号。开环控制中，即使负载很轻，步进电机也很少以大于10000步／秒的速度工作，因此，只要求微处理机每0.1毫秒发一次步进命令。而每次发送步进命令所需要的程序执行时间比0.1毫秒小很多，所以，微处理机完全有多余能力执行别的任务。使用中断子程序控制电机能使处理能力得到充分利用。

固定的，步进命令之间的时间受从“TABLE”单元开始的查阅表里存储数值的控制。程序以设寄存器“指针”等于“TABLE”开始，因此，“指针”里装有查阅表中第一个值的地址。然后，把第一次步进命令发给激磁时序控制器，用它改变电机里的相激磁。

在发下一次步进命令之前必须进行延时，使电机有时间执行第一步。这时， 取出由指针寻址的延时数（第一次为查阅表里的第一个值）并把它存入“延迟”单元里。然后，检查这个单元的内容是不是零。如果是零，表示已经走到了这个表的末尾；不是零则“指针”加一，指向表内的下一个数。最后，控制程序返回主程序。

主程序继续执行直到发生下次时钟中断，它使处理机返回到电机控制子程序的“入口”。‘延迟”单元里的数减一并且与零比较。如果不为零，则控制立即返回主程序；如果“延迟”单元已达到零，则把下一步命令送到激磁时序控制器，并且往“延迟”单元装入查阅表里的下一个位。因此，步进命令之间的时间与恒定的时钟周期及查阅表中的数值成正比。例如：第一步命令发出之后，“延迟”单元装入“30”，于是，“延迟”单元减到零之前将产生30次时钟中断。

查阅表中的数值是考虑以6步上升到最高步进频率设置的，这个最高频率是钟频的l／l0。减速从长延时数值（25）开始，这个时间对应转子转过平衡位置而进入产生减速所需要的负转矩的位置。因为负载转矩产生的是负转矩，所以，使电机减速只需要4步。最后，系统逐渐静止，距离初始位置共14步。这时，程序检

测到“延迟”单元内容为零

并转到“停止”。 考虑14步运动的”延迟”值取样表

该例中，走过的距离是

固定的。不过，行程开始之前，程序可装入不同的目标位置。通过扩展查阅表和修改有关程序，能使步数增加。如果目标离初始位置少于14步，这时，可以删去查阅表里适当的位，使频率降低，步数减少。

（2）以硬件定时 如果加速系统需要执行的步数比较少，那么，相激磁定时可以用数字集成电路产生。例如，在图5 （a）小，精确的前三步定时由持

续时间可变的延时时序电路产生，用它把电机加速到由系统钟频确定的步进频率。当接近目标位值时，利用后面的延时时序电路使电机减速。

系统最初静止，启动脉冲加到 “启动”输入端后，经过一系列逻辑“或”门作用到相序发生器上，相序发处器发生的激磁变化启动电机加速。启动脉冲同时触发第一级延时电路，把这个脉冲延迟T1时间，在这期间，电机运动到第—次相转换位置。经过T1延时后，第一级的脉冲输出送到相序发生器并触发下级延时电路。这种时序一直继续到所有延时电路都工作完。最末一级延时的输出用来启动恒频时钟，以恒频时钟生以后的步进命令，定时波形如图5（b）所示。

因为事先把目标位置送入了减法计数器。以后每执行一次，计数器就减一。因此，这个计数器记录着到达目标位置之前需要发出的步进命令数。当还需要执行的步数等于减速延时电路数时，减法计数器产生一个脉冲， 关断时钟并触发第一级减速电路延时T1，。到达目标位置之前的最后几步的减速控制由三级持续时间可变的延时T1，、T2，、T3，产生，它们顺序触发，产生送到相序发生器的步进命令。减速以长激磁周期（T1，）开始，让转子转过平衡位置和产生负转矩。 如果系统的最大工作速度接近失步频率，那末，也许需要20到50级

延时，这时成本很高。通常，硬件定时仅用在工作速度比正常的启停频率高得不太多的场合。在这些应用中，延时时间能够用静转矩／转子位置特性曲线成功地预测。

梯形图程序如图所示。

X0启动按钮，X1停止按钮，X2开关，X3过载M1，X4过载M2，X5短路M2。

Y0运行M1，Y1运行M2。

望采纳。。。。。。

基于Verilog HDL的直流电机PWM设计方案

直流电机PWM控制器产生的PWM波形，只需要FPGA内部资源就可以实现，如数字比较器、锯齿波发生器等均为FPGA内部资源，我们只要直接调用就可以。外部端口Z/F、START接在键盘电路上，其具体的连接方式如图1。

其工作原理是：旋转方向控制电路控制直流电动机转向和启/停,该电路由两个2选1的多路选择器组成,Z/F键控制选择PWM波形是从正端Z进入H桥，还是从负端F进入H桥，以控制电机的旋转方向。当Z/F=1时，PWM输出波形从正端Z进入H桥，电机正转。当 Z/F =0时，PWM输出波形从负端F进入H桥，电机反转。

Start键通过“与”门控制PWM输出,实现对电机的工作停止/控制。当START=1时，与门打开，允许电机工作。当START=0时，与门关闭，电机停止转动。

H桥电路由大功率晶体管组成，PWM输出波形通过方向控制电路送到 H 桥, 经功率放大以后对直流电机实现四象限运行。

基于FPGA的直流电机PWM控制省去了外接的D/A转换器和模拟比较器，FPGA外部连线很少，电路更加简单，便于控制。FPGA的直流电机PWM控制具有精度高，反应快，外部连线少，电路简单，便于控制等优点。

无刷直流电机(简称BLDCM)是一种新型的机电一体化产品,它既具备异步电机结构简单、运行可靠和维护方便的特点,又具有直流电机调速性能好的优点,因此综合运用自动控制、嵌入式系统等技术实现无刷直流电机控制具有重要的理论研究价值和实践应用意义。 本文在掌握无刷直流电机工作原理,并比较分析目前关于无刷直流电机控制系统研究成果的基础上,对无刷直流电机调速控制系统进行了重点研究。利用无刷直流电机的相变量建立其数学模型,提出具体的调速控制方法,并在此基础上分析无刷直流电机的诸多特点。 本文以无刷直流电机调速控制系统在焊接行走设备中的应用为研究背景,设计了一种基于DSP的无刷直流电机调速控制系统。整个直流控制系统的设计采用的双闭环控制,系统外环为转速环,内环为电流环。设计了一种基于控制量调节的Fuzzy-PI控制方法并将其应用在转速环中。该方法主要是根据系统给定速度与反馈速度之间的偏差量取值范围来决定使用模糊控制方法还是带死区的PI控制方法。在模糊控制器中,使用Mamdani关系生成方法并且经过大量实验得到一种基于该系统的模糊控制规则。运用MATLAB/Simulink工具对该系统进行仿真,仿真结果表明,该系统响应速度快,基本无超调,抗干扰能力强,具有较高的控制品质。 系统的主控制器选用的是TMS320F2812数字信号处理器,设计了组成该系统所需要的电源转换电路、电流采样电路、开关电路、位置检测电路等,从而实现该无刷直流电机调速控制。电路设计主要是依据集成度高,电路简单,抗干扰能力强,鲁棒性好等特点进行设计的,并且应用在无刷直流电机调速控制系统中。根据整个系统的实现功能进行软件设计,给出具体的设计流程。

（一）1步进电机驱动原理：

是通过对每相线圈中的电流的顺序切换来使电机机作步进式旋转，切换是通过单片机输出脉冲信号来实现的。所以调节脉冲信号的频率便可以改变步进机的转速，改变各相输入脉冲先后顺序，可以改变电机的旋转方向。

2转速控制：

调节脉冲信号的频率便可以改变步进机的转速

3位置控制：

改变脉冲信号的个数便可以改变步进机的位置

4方向控制：

改变各相脉冲的先后顺序，便可以改变步进机的转向

(二)8255可编程并行接口芯的连接方法

1用8255APB0-PB3输出脉冲信号，驱动步进电机转动

2硬件线路原理图如图

3将步进电机插头连到DVCC－8086H中间5芯插座J1( 步进电机驱动输出插座)上

4将8255CS 连到060H

3 设计程序清单及注释

CODE SEGMENT

ASSUME CS:CODE

IOCONPT EQU 0063H ；8255控制端口地址

IOBPT EQU 0061H ；B口端口地址

START: MOV AL,80H ；初始化8255控制端口，A、B、C口输出，工作方

MOV DX,IOCONPT ；式0

OUT DX,AL

NOP

NOP

NOP

IOLED1: MOV DX,IOBPT

MOV AL,03H ； 步进电机初始化励磁数据03H(BA相)

OUT DX,AL

CALL DELAY ；调用延时子程序DELAY

MOV AL,06H ；步进电机励磁数据左移一位后为06H（BB相）

OUT DX,AL

CALL DELAY

MOV AL,0CH ；步进电机励磁数据左移一位后为0CH（BC相）

OUT DX,AL

CALL DELAY

MOV AL,09H ；步进电机励磁数据左移一位后为09H（BD相）

OUT DX,AL

CALL DELAY

JMP IOLED1 ；无条件转移，死循环以上程序，步进机不停转动

DELAY:MOV CX,03FFFH ；延时子程序（改变步进机转速时修改该参数）

DELA: LOOP DELA

RET

CODE ENDS

END  START

4、正转、反转则通过改变相位顺序来实现，转速则通过修改CX的参数值就能实现对转速的控制。

游志宇，杜杨，张洪，董秀成

(1．西华大学 电气信息学院，四川 成都 610039；

2．中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209)

1 引言

长期以来，直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机在控制领域，高开关频率、全控型第二代电力半导体器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的发展，以及脉宽调制(PWM)直流调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。为适应小型直流电机的使用需求，各半导体厂商推出了直流电机控制专用集成电路，构成基于微处理器控制的直流电机伺服系统。但是，专用集成电路构成的直流电机驱动器的输出功率有限，不适合大功率直流电机驱动需求。因此采用N沟道增强型场效应管构建H桥，实现大功率直流电机驱动控制。该驱动电路能够满足各种类型直流电机需求，并具有快速、精确、高效、低功耗等特点，可直接与微处理器接口，可应用PWM技术实现直流电机调速控制。

2 直流电机驱动控制电路总体结构

直流电机驱动控制电路分为光电隔离电路、电机驱动逻辑电路、驱动信号放大电路、电荷泵电路、H桥功率驱动电路等四部分，其电路框图如图1所示。

由图可以看出，电机驱动控制电路的外围接口简单。其主要控制信号有电机运转方向信号Dir电机调速信号PWM及电机制动信号Brake，Vcc为驱动逻辑电路部分提供电源，Vm为电机电源电压，M+、M-为直流电机接口。

在大功率驱动系统中，将驱动回路与控制回路电气隔离，减少驱动控制电路对外部控制电路的干扰。隔离后的控制信号经电机驱动逻辑电路产生电机逻辑控制信号，分别控制H桥的上下臂。由于H桥由大功率N沟道增强型场效应管构成，不能由电机逻辑控制信号直接驱动，必须经驱动信号放大电路和电荷泵电路对控制信号进行放大，然后驱动H桥功率驱动电路来驱动直流电机。

3 H桥功率驱动原理

直流电机驱动使用最广泛的就是H型全桥式电路，这种驱动电路方便地实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。H桥功率驱动原理图如图2所示。

H型全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态。S1、S2为一组，S3、S4为一组，这两组状态互补，当一组导通时，另一组必须关断。当S1、S2导通时，S3、S4关断，电机两端加正向电压实现电机的正转或反转制动；当S3、S4导通时，S1、S2关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。

实际控制中，需要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在S1、S2导通且S3、S4关断到S1、S2关断且S3、S4导通这两种状态间转换。这种情况理论上要求两组控制信号完全互补，但是由于实际的开关器件都存在导通和关断时间，绝对的互补控制逻辑会导致上下桥臂直通短路。为了避免直通短路且保证各个开关管动作的协同性和同步性，两组控制信号理论上要求互为倒相，而实际必须相差一个足够长的死区时间，这个校正过程既可通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时，也可通过软件实现。

图2中4只开关管为续流二极管，可为线圈绕组提供续流回路。当电机正常运行时，驱动电流通过主开关管流过电机。当电机处于制动状态时，电机工作在发电状态，转子电流必须通过续流二极管流通，否则电机就会发热，严重时甚至烧毁。

4 直流电机驱动控制电路设计

由直流电机驱动控制电路框图可以看出驱动控制电路结构简单，主要由四部分电路构成，其中光电隔离电路较简单，在此不再介绍，下面对直流电机驱动控制电路的其他部分进行详细介绍。

4.1 H桥驱动电路设计

在直流电机控制中常用H桥电路作为驱动器的功率驱动电路。由于功率MOSFET是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点，满足高速开关动作需求，因此常用功率MOSFET构成H桥电路的桥臂。H桥电路中的4个功率MOSFET分别采用N沟道型和P沟道型，而P沟道功率MOSFET一般不用于下桥臂驱动电机，这样就有两种可行方案：一种是上下桥臂分别用2个P沟道功率MOSFET和2个N沟道功率MOSFET；另一种是上下桥臂均用N沟道功率MOSFET。

相对来说，利用2个N沟道功率MOSFET和2个P沟道功率MOSFET驱动电机的方案，控制电路简单、成本低。但由于加工工艺的原因，P沟道功率MOSFET的性能要比N沟道功率MOSFET的差，且驱动电流小，多用于功率较小的驱动电路中。而N沟道功率MOSFET，一方面载流子的迁移率较高、频率响应较好、跨导较大；另一方面能增大导通电流、减小导通电阻、降低成本，减小面积。综合考虑系统功率、可靠性要求，以及N沟道功率MOSFET的优点，本设计采用4个相同的N沟道功率MOSFET的H桥电路，具备较好的性能和较高的可靠性，并具有较大的驱动电流。其电路图如图3所示。图中Vm为电机电源电压，4个二极管为续流二极管，输出端并联一只小电容C6，用于降低感性元件电机产生的尖峰电压。

4.2 电荷泵电路设计

电荷泵的基本原理是通过电容对电荷的积累效应而产生高压，使电流由低电势流向高电势。最早的理想电荷泵模型是J.Dickson在1976年提出的，当时这种电路是为可擦写EPROM提供所需电压。后来J.Witters，Toru Tranzawa等人对J.Dickson的电荷泵模型进行改进，提出了比较精确的理论模型，并通过实验加以证实提出了相关理论公式。随着集成电路的不断发展，基于低功耗、低成本的考虑，电荷泵在电路设计中的应用越来越广泛。

简单电荷泵原理电路图如图4所示。电容C1的A端通过二极管D1接Vcc，电容C1的B端接振幅Vin的方波。当B点电位为0时，D1导通，Vcc开始对电容C1充电，直到节点A的电位达到Vcc；当B点电位上升至高电平Vin时，因为电容两端电压不能突变，此时A点电位上升为Vcc+Vin。所以，A点的电压就是一个方波，最大值是Vcc+Vin，最小值是Vcc(假设二极管为理想二极管)。A点的方波经过简单的整流滤波，可提供高于Vcc的电压。

在驱动控制电路中，H桥由4个N沟道功率MOSFET组成。若要控制各个MOSFET，各MOSFET的门极电压必须足够高于栅极电压。通常要使MOSFET完全可靠导通，其门极电压一般在10 V以上，即VCS＞10 V。对于H桥下桥臂，直接施加10 V以上的电压即可使其导通；而对于上桥臂的2个MOSFET，要使VGS>10 V，就必须满足VG>Vm+10 V，即驱动电路必须能提供高于电源电压的电压，这就要求驱动电路中增设升压电路，提供高于栅极10 V的电压。考虑到VGS有上限要求，一般MOSFET导通时VGS为10 V～15 V，也就是控制门极电压随栅极电压的变化而变化，即为浮动栅驱动。因此在驱动控制电路中设计电荷泵电路，用于提供高于Vm的电压Vh，驱动功率管的导通。其电路原理图如图5所示。

电路中A部分是方波发生电路，由RC与反相施密特触发器构成，产生振幅为Vin=5 V的方波。B部分是电荷泵电路，由三阶电荷泵构成。当a点为低电平时，二极管D1导通电容C1充电，使b点电压Vb=Vm-Vtn；当a点为高电平时，由于电容C1电压不能突变，故b点电压Vb=Vm+Vin-Vtn，此时二极管D2导通，电容C3充电，使c点电压Vx=Vm+Vin-2Vtn；当a点再为低电平时，二极管D1、D3导通，分别对电容C1、C2充电，使得d点电压Vd=Vm+Vin-3Vtn；当a点再为高电平时，由于电容C2电压不能突变，故d点电压变为Vd=Vm+2Vin-3Vtn，此时二极管D2、D4导通，分别对电容C3、c4充电，使e点电压Ve=Vm+2Vin-4Vtn。这样如此循环，便在g点得到比Vm高的电压Vh=Vm+3Vin-6tn=Vm+11.4 V。其中Vm为二极管压降，一般取0.6 V。从而保证H桥的上臂完全导通。

4.3 电机驱动逻辑与放大电路设计

直流电机驱动电机驱动电路中电机驱动逻辑及放大电路主要实现外部控制信号到驱动H桥控制信号的转换及放大。控制信号Dir、PWM、Brake经光电隔离电路后，由门电路进行译码，产生4个控制信号M1'、M2'、M3'、M4'，然后经三极管放大，产生控制H桥的4个信号M1、M2、M3、M4。其电路原理图如图6所示。其中Vh是Vm经电荷泵提升的电压，Vm为电机电源电压。

电机工作时，H桥的上臂处于常开或常闭状态，由Dir控制，下臂由PWM逻辑电平控制，产生连续可调的控制电压。该方案中，上臂MOSFET只有在电机换向时才进行开关切换，而电机的换向频率极低，低端由逻辑电路直接控制，逻辑电路的信号电平切换较快，可以满足不同频率要求。该电路还有一个优点，由于上臂开启较慢，而下臂关断较快，所以，实际控制时换向不会出现上下臂瞬间同时导通现象，减小了换向时电流冲击，提高了MOSFET的寿命。

5 直流电机PWM调速控制

直流电动机转速n=(U-IR)/Kφ

其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。

直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中PWM(脉宽调制)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。

PWM调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比(占空比)来改变直流电机电枢上电压的"占空比"，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用PWM技术构成的无级调速系统．启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，且设占空比为D=t／T，则电机的平均速度Vd为：

Vd=VmaxD

由公式可知，当改变占空比D=t／T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可将其近似地看成线性关系。 在直流电机驱动控制电路中，PWM信号由外部控制电路提供，并经高速光电隔离电路、电机驱动逻辑与放大电路后，驱动H桥下臂MOSFET的开关来改变直流电机电枢上平均电压，从而控制电机的转速，实现直流电机PWM调速。

6 结束语

以N沟道增强型场效应管为核心，基于H桥PWM控制的驱动控制电路，对直流电机的正反转控制及速度调节具有良好的工作性能。实验结果表明，直流电机驱动控制电路运行稳定可靠，电机速度调节响应快。能够满足实际工程应用的要求，有很好的应用前景。