MOSFET電機驅(qū)動的設(shè)計

石進遠 代月明 藺寧寧 張成

摘要： 介紹一種由場效應管組成的H橋直流電機驅(qū)動器，調(diào)速性能優(yōu)良，制動能力強。闡述MOSFET集成驅(qū)動芯片IR4227的工作原理，說明STC12C5A60S2 2單片機產(chǎn)生PWM信號的軟件設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：場效應管；PWM；電動機驅(qū)動；

本文介紹一種采用MOSFET驅(qū)動芯片[1]和MOSFET組成的用于PWM調(diào)速的電機驅(qū)動電路[2]。該電路H全橋電路驅(qū)動能力強、響應速度快、導通電阻小。

1 直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計

現(xiàn)在設(shè)Q1和Q4管導通，電機運行，如圖1所示。

一般MOSFET的RDS在毫歐級別，所以MOSFET的壓降VDS近似忽略。

這樣，out1點的電位就近似為電源電壓（電源電壓使用12V），out2點的電位就近似為0V。如果要導通Q4，Q4的柵極電壓要大于3V，單片機的I/O輸出可以達到5V，所以是可以順利導通Q4的。接下來，導通Q1必須至少在Q1的柵極施加15V的電壓，依靠單片機的I/O口輸出是辦不到的。所以，考慮到這個原因，設(shè)計出兩種H橋驅(qū)動電路[3]。

一種是全N管的H橋電路，加MOSFET驅(qū)動芯片，驅(qū)動芯片由升壓芯片將電壓提升到足夠超過N管的VGS閥值電壓來供電使其工作。另一種是P管加N管的驅(qū)動橋，P管和N管組合搭建的H橋驅(qū)動電路給在使用時解決驅(qū)動電壓的問題提供有效的方式。P型MOSFET只要柵極電壓小于源極電壓（VGS為負值），并且它的值小于某一負的電壓值，MOSFET的S極和D極就會導通，電流從S極流向D極。一般P型MOSFET的VGS閥值電壓都會在3V～20V之間。如圖2所示。

假設(shè)Q1和Q4導通，電機運行。想要導通Q4（Q4是N型管），只需要給一個高電平信號就可以。想要導通Q1（Q1是P型管），只需要給一個低電平信號。

經(jīng)過對兩種驅(qū)動電路的比較后，為減少電路的復雜程度，使電路更為精簡，最終選擇使用P型和N型MOSFET搭建的驅(qū)動電路。

在使用IR44427的同時，的控制信號有兩個管腳，控制兩路信號。它的輸入信號與輸出信號之間的關(guān)系如圖3所示：

用一片IR4427及兩個P型和兩個N型MOSFET作為分立元件，來組成全橋的電機驅(qū)動電路。同時，因為橋式驅(qū)動電路的工作電流較大，為保證主控制器的穩(wěn)定工作，避免驅(qū)動電路對主控制器產(chǎn)生干擾，再加上光耦隔離芯片。

本方案中選擇的是HCPL2630雙通道邏輯輸出光電耦合器，其輸入信號最大可達到1Mhz，完全滿足本系統(tǒng)電機控制的10Khz的需求。其應用電路如圖310所示。理論上，輸入脈沖信號的占空比在0%之時電機速度為零，脈沖信號范圍在0～100%之間，對應控制電機從靜止到滿轉(zhuǎn)。PWM1_1給PWM，PWM1_2給0，電機正轉(zhuǎn)。同理PWM1_2給PWM，PWM1_1給0，電機反轉(zhuǎn)。

2 結(jié)語

電路設(shè)計時，采取合理的措施把強電和弱電隔離開來，MOSFET的強電干擾可以抑制。該電機驅(qū)動器的調(diào)速線性性能好，調(diào)速頻帶寬度打，可以在1～100K范圍內(nèi)工作。所要求的控制信號簡單，很多邏輯都在驅(qū)動器上用硬件設(shè)計。該驅(qū)動器的保護電路性能良好，安全性高，無控制信號時，電機處于剎車狀態(tài)，可用于很多領(lǐng)域。

參考文獻：

[1]王嚴.基于單片機的無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：南京郵電大學碩士論文，2013.

[2]解俊.基于ARM的智能小車控制軟件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學碩士論文，2014.

[3]陳德益.基于嵌入式單片機的電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機仿真，2010，01.

[4]高振天，袁偉.基于ARM的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)[J].電氣技術(shù)，2012，09.

[5]馬潮.高檔8位單片機Atmega128原理與開發(fā)應用指南[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.