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博文內(nèi)容是從好幾篇論文中摘抄下來的，不過遺憾的是那時候我沒有對這幾篇論文進(jìn)行來源記錄。

1基礎(chǔ)知識

1.1專業(yè)名詞

本小節(jié)用于闡述本文將提到的專業(yè)名詞。

邏輯電壓：用于表示邏輯的高電平或低電平，驅(qū)動能力很弱

驅(qū)動電壓：相當(dāng)于一個電壓源，理想狀態(tài)下其輸出電壓不隨負(fù)載變化而變化，也就是有很強(qiáng)的輸出電流的能力；實際中這個能力是有限的，也就是通常所說的驅(qū)動能力，或者叫帶負(fù)載能力。

欠壓保護(hù)：欠壓狀況下，后續(xù)電路要保持相同的功率，根據(jù)公式P=UI，就會增加電流值，導(dǎo)致設(shè)備過載，以至燒毀電路。所以在欠壓到一定程度的時候就要有一個保護(hù)電路來斷開和電源的連接，即欠壓保護(hù)電路。

寬電壓：寬電壓就是電器對電壓（伏特，簡稱伏）的高適應(yīng)性，在一定范圍內(nèi)不同等級的電壓都能應(yīng)用。

1.2電路結(jié)構(gòu)

光耦隔離

光耦也叫做光電隔離器或光電耦合器，它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，每個器件中都含有成對的發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管，光敏電阻）。當(dāng)施加電信號到發(fā)光器時，發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就電學(xué)性能發(fā)生變化，從而實現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。

光耦的最大作用就是隔離作用。將發(fā)光器和受光器兩端的電氣回路隔離開，通過光作為媒介進(jìn)行傳遞。
光電隔離具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但存在共模抑制能力差，傳輸速度慢的缺點。快速光耦的速度也僅幾十kHz。

自舉電路

自舉電路是指通過二極管和電容組成的升壓電路,通過電源對電容充電使電容放電電壓和電源電壓疊加，從而使電壓升高。最簡單的自舉電路由一個電容構(gòu)成。

自舉電路的電路結(jié)構(gòu)區(qū)別于升壓斬波電路。

自舉電容：或稱boot電容，起電壓泵升的作用。自舉電容是利用電容兩端電壓不能突變的特性，當(dāng)電容兩端保持有一定電壓時，提高電容負(fù)端電壓，正端電壓仍保持于負(fù)端的原始壓差，等于正端的電壓被負(fù)端舉起來了。

二極管：用于防止升高后的電壓回灌到原始的輸入電壓。

圖騰柱

圖騰柱是推挽輸出（Push–pull output）的一種，用來匹配電壓，輸出具有驅(qū)動能力的高電平和低電平，進(jìn)而提高電路的負(fù)載能力。
下圖為圖騰柱的電路結(jié)構(gòu)，上下各一個三極管，上管為NPN，c極(集電極)接正電源，下管為PNP，c極(集電極)接地。兩個b極(基極)接一起，接輸入，上管和下管的e極(發(fā)射極)接到一起，接輸出，像一個“圖騰柱”。
電路工作時，兩只對稱的開關(guān)管每次只有一個導(dǎo)通：用同一信號驅(qū)動兩個b極，驅(qū)動信號為高時，NPN導(dǎo)通；驅(qū)動信號為低時，PNP導(dǎo)通。

1.3 PWM技術(shù)簡述

如下圖所示，利用半導(dǎo)體開關(guān)，可以將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，即把直流電壓斬成一系列脈沖：半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通時，直流電壓為高電平狀態(tài)；半導(dǎo)體幵關(guān)斷開時，直流電壓降為低電平，這樣就把直流電壓變成了脈沖信號，通過改變半導(dǎo)體幵關(guān)的通斷狀態(tài)就可以改變信號的頻率或者脈沖寬度，即改變了直流電壓的平均值Uo：

$\frac{ton}{(ton+toff}E$$=\frac{ton}{T}E=\alpha E$
ton為V處于通態(tài)的時間，toff為V處于斷態(tài)的時間，T為開關(guān)周期，E為Uo最大值，α為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比。


由于輸入電壓和輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖等寬等幅，僅僅是對脈沖的占空比進(jìn)行調(diào)制，來獲得所需電壓Uo。

共有3種占空比調(diào)制方式：脈沖寬度調(diào)制（PWM，Pulse Width Modulation），頻率調(diào)制和混合型，以第一種最為常用。

PWM控制技術(shù)就是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效獲取所需波形的技術(shù)，它基于面積等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)，環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。

沖量：窄脈沖面積

PWM信號是模擬信號還是數(shù)字信號？

2驅(qū)動電路工作原理

驅(qū)動電路是指主電路和控制電路之間，用來對控制電路的信號進(jìn)行放大的中間電路（即放大控制電路的信號使其能夠驅(qū)動功率晶體管）。單片機(jī)PWM信號往往不足以驅(qū)動半橋/全橋電路，所以常需要增設(shè)半橋/全橋驅(qū)動電路來使單片機(jī)輸出的PWM信號轉(zhuǎn)換成同步高壓信號。

2.1全橋

H橋是一個典型的直流電機(jī)控制電路，可使其連接的負(fù)載或輸出端兩端電壓反相/電流反向。因為它的電路形狀酷似字母H，故得名與“H橋”。4個開關(guān)管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠。

要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。下圖表示了電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時的電流流向。

2.2半橋

半橋是兩個功率開關(guān)器件（如 MOS 管）以圖騰柱的形式相連接，以中間點作為輸出，提供方波信號。這種結(jié)構(gòu)在 PWM 電機(jī)控制、DC-AC逆變、電子鎮(zhèn)流器等場合有著廣泛的應(yīng)用。

上下兩個開關(guān)管由反相的信號控制，當(dāng)一個功率管開時，另一個關(guān)斷，這樣在輸出點 OUT 就得到電壓從 0 到 VHV的脈沖信號。

2.3死區(qū)

由于開關(guān)延時的存在，當(dāng)其中的一個管子?xùn)艠O信號變?yōu)榈蜁r，它并不會立刻關(guān)斷，因此一個管子必須在另一個管子關(guān)斷后一定時間方可開啟，以防止同時開啟造成的電流穿通，這個時間稱為死區(qū)時間（Dead time）。

3半橋驅(qū)動芯片

IR2302(自舉式集成電路）
引腳排列：

引腳定義：


如上圖所示為典型的半橋驅(qū)動電路，其關(guān)鍵在于如何實現(xiàn)上橋的驅(qū)動。VCC是一個典型值為+15v功率管柵極驅(qū)動電源，C2為自舉電容，VD用來防止防止升高后的電壓回灌到原始的輸入電壓，PWM在上橋臂調(diào)制。

引腳功能：

HO用于驅(qū)動上橋臂，LO用于驅(qū)動下橋臂。當(dāng)HIN位高電平時，HO輸出比VS大15V的電壓值；當(dāng)HIN位低電平時，HO輸出與VS相等的電壓。當(dāng)LIN為高電平時，LO輸出比COM大15V的電壓。當(dāng)LIN為低電平時，LO輸出與COM相等的電壓值。

當(dāng)Q1關(guān)斷，Q2開通時，A點電位由于Q2的續(xù)流而回零，VCC經(jīng)VD1、C1、負(fù)載、Q2給C2充電，以確保Q2關(guān)斷、Q1開通時，Q1管的柵極靠C1上足夠的儲能來驅(qū)動，從而實現(xiàn)自舉式驅(qū)動。

當(dāng)輸入信號Hin開通時，上橋臂的驅(qū)動由C1供電。由于C1的電壓不變，VB隨VS的升高而浮動，所以稱C1為自舉電容。每個PWM周期，電路都給C1充電，維持其電壓基本不變。

D2的作用是為使上橋臂能夠快速關(guān)斷，減少開關(guān)損耗，縮短MOS管關(guān)斷時的不穩(wěn)定過程。D3的作用時避免上橋臂快速開通時下橋的柵極電壓耦合上升導(dǎo)致上下橋穿通的現(xiàn)象。

4全橋驅(qū)動芯片

L298N
內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖：

接線原理圖：

邏輯功能圖：

這是一款非常經(jīng)典的雙H橋電機(jī)驅(qū)動芯片，可以同時驅(qū)動兩個直流電機(jī)。它可以提供5至35 V的驅(qū)動電壓，最大功率為25W，邏輯部分由5 V供電；調(diào)速方面，通過輸出PWM來進(jìn)行控制L298N的使能端ENA/ENB。L298N價格低廉，性能可靠，使用時將主控板輸出端連接至驅(qū)動板使能端和信號端，驅(qū)動板的輸出端與直流電機(jī)連接。

L298N 電機(jī)驅(qū)動板 - 詳細(xì)介紹

附錄 基于STM32的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

摘抄自我的某篇課程報告（我真的很討厭寫這種東西），這里進(jìn)行了修改并保留了原始序號。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1系統(tǒng)硬件總體方案設(shè)計

該調(diào)速系統(tǒng)以STM32F4為核心，共分為4部分，其中STM32F4作為控制器，其板上的定時器資源可通過編程產(chǎn)生PWM控制信號；L298N及其外圍電路連接單片機(jī)與電機(jī)，驅(qū)動12V直流電機(jī)正常工作；鍵盤控制模塊由6個獨立的按鍵組成，可以控制電機(jī)的運(yùn)動，停止，加速，減速，正向旋轉(zhuǎn)，反向旋轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)整體框如圖2所示。

圖 2 系統(tǒng)硬件組成框圖

2.3直流電機(jī)驅(qū)動電路L298N

STM32輸出的PWM僅為3.3V電平，難以驅(qū)動12V直流電機(jī)，因此可采取直流電機(jī)驅(qū)動電路來提高驅(qū)動能力。本設(shè)計使用L298N，這是一款非常經(jīng)典的雙H橋電機(jī)驅(qū)動芯片，可以驅(qū)動兩個直流電機(jī)。它可以提供5至35 V的驅(qū)動電壓，最大功率為25 W，邏輯部分由5 V供電。該模塊的原理圖如圖3所示。L298N價格低廉，性能可靠，滿足本設(shè)計需求，使用時將主控板輸出端連接至驅(qū)動板使能端和信號端，驅(qū)動板的輸出端與直流電機(jī)連接。

圖 3 L298N模塊電路原理圖

2.6信號傳輸過程

按下鍵盤模塊上的任意功能鍵，接收到信號后，微控制器將執(zhí)行相應(yīng)的控制任務(wù)，并通過I / O端口輸出電流信號和PWM波信號。電流信號的正或負(fù)決定使能端上的信號電平，而使能端的信號狀態(tài)又決定直流電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)使能端為高電平時，PWM波的占空比決定了直流電機(jī)的速度。PWM波信號經(jīng)由L298N驅(qū)動電路放大后，將控制直流電機(jī)完成相應(yīng)動作。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

STM32系列MCU有許多的開發(fā)工具可供開發(fā)者選擇，常用由Keil公司發(fā)行的ARM開發(fā)工具M(jìn)DK來編寫嵌入式應(yīng)用程序。MDK提供了一個完整的開發(fā)環(huán)境，其強(qiáng)大的功能可以滿足開發(fā)者的大部分需求，進(jìn)而減少了代碼開發(fā)難度。
系統(tǒng)程序按功能可劃分為主程序、調(diào)速程序和正反轉(zhuǎn)程序，主程序用來完成系統(tǒng)相關(guān)初始化，調(diào)速程序控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，正反轉(zhuǎn)程序控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，這些代碼皆通過C語言編寫。

3.1主程序設(shè)計

主程序用于完成直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的初始化、單片機(jī)的中斷配置以及定時器配置，這一過程是通過讀寫寄存器完成的。另外，本設(shè)計采用直接啟動電機(jī)的方法，這是因為該電機(jī)屬于微小型電機(jī)。為了節(jié)省成本，設(shè)計中沒有制作定制的啟動電路，而是在程序初始化階段中將初始占空比設(shè)置為較低的水平。

3.2調(diào)速程序設(shè)計

更改PWM波的占空比以調(diào)整直流電機(jī)的速度。可以使用STM32的多個計時器中的任何一個（TIM6和7除外）來生成多路PWM輸出，其中高級定時器TIM1和TIM8甚至可以同時生成多達(dá)7路PWM輸出。本設(shè)計使用TIM14_CH1進(jìn)行PWM輸出，其配置的具體步驟[3]為：（1）開啟 TIM14 和 GPIO 時鐘，配置 PF9 選擇復(fù)用功能 AF9（TIM14）輸出；（2）初始化 TIM14,設(shè)置 TIM14 的 ARR 和 PSC 等參數(shù)；（3）設(shè)置 TIM14_CH1 的 PWM 模式，使能 TIM14 的 CH1 輸出；（4）使能 TIM14；（5）修改 TIM14_CCR1 來控制占空比。

3.3 正反轉(zhuǎn)程序設(shè)計

L298N上的端口按功能可分為一對使能端口、兩對信號輸入端口和兩對信號輸出端口，處于高電平時有效。當(dāng)使能端口ENA/ ENB為低電平時，電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)ENA / ENB為高電平且信號輸入端口IN1和IN2同為高電平或低電平時，直流電動機(jī)處于制動狀態(tài)；當(dāng)ENA / ENB處于高電平并且IN1和IN2處于高電平和低電平或低電平和高電平時，電機(jī)將朝相反的方向運(yùn)行。只需要根據(jù)這一原理配置單片機(jī)IO口的輸出，即可實現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)變換。
圖4和圖5分別展示了直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速部分程序流程。共有3種速度狀態(tài)，速度檔位0為低速狀態(tài)，為默認(rèn)初始速度；速度檔位1為中速狀態(tài)，速度檔位2為高速狀態(tài)。速度檔位通過加速/減速鍵切換。

圖 4 直流電機(jī)正轉(zhuǎn)及調(diào)速部分程序流程圖

圖 5 直流電機(jī)反轉(zhuǎn)及調(diào)速部分程序流程圖

參考文獻(xiàn)

[1]王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社:北京,2009:162.
[2]殷留留,韓森.基于L298N的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].信息技術(shù),2017,6:105.
[3]李輝,石書琪.基于 STM32 單片機(jī)的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計[J].邵陽學(xué)院學(xué)報( 自然科學(xué)版),2017,14(1):91.

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的直流电机驱动电路整理笔记的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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