电机驱动控制电路

直流电机驱动电路

直流电机（direct current machine ）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。（阮智富,郭忠新 ．《现代汉语大词典》 ：上海辞书出版社 ，2009 ．）

一直以来，凭借优良的线性特性和优异的控制性能等特点，直流电机成为大多数闭环位置伺服控制系统和变速运动控制的最佳选择。特别随着计算机在控制领域，全控型、高开关频率的第二代电力半导体器件(MOSFET 、GTO 、GTR 、IGBT 等)的发展，以及脉宽调制(PWM)直流调速技术的发展，直流电机得到广泛应用。在手指康复机器人系统中，直流电机起着牵引手指进行康复训练的作用。由于是面向偏瘫患者这一特殊的人群，因而直流电机需要能够在长期的低速运转时提供足够的转矩，从而带动负载，并且可以在低转速下实现稳定的运行。

直流电机的驱动电路应当具有快速、高效、精确、低功耗等特点，能够直接与微处理器接口，应用PWM 技术对直流电机调速控制。典型的直流电机驱动控制电路结构主要有分为光电隔离电路、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组成，如下图： 光

电

隔

离

路电

路电逻驱电机动辑电路泵荷电号动驱信电路

放大动率桥功驱电路

其主要控制信号有：Dir 是电机运转方向信号，PWM （脉冲宽度调制）作用是电机调速信号，Brake 为电机制动信号，Vcc 为电机驱动逻辑电路部分提供电源，VM 为直流电机电源电压，M+、M-为电机接口。

在大功率驱动系统中，采用光电隔离技术，将驱动回路和控制回路电气隔离，能够有效减少驱动控制电路对外部控制电路的干扰。光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离，光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏(三极)管封装在一起。发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔离作用。手指康复机器人系统中的光电隔离模块，对于高频的PWM 信号，采用HCPL2630进行隔离；对于低频的刹车信号和输出状态反馈信号采用TLP185进行隔离。

对于电机驱动逻辑电路，电荷泵电路，驱动放大电路以及H桥功率驱动电路，采用一种驱动小功率的直流电机的集成芯片——MC33186 。

MC33186芯片自身已经集成了H桥，非常适用于小马力DC电机和双向推力电磁控制。MC33186原本是为广泛应用于汽车的H桥驱动器，在严酷的环境下具备相当的可靠性。它的工作电压为5～28V，连续负载电流可达5A，最高开关频率为20kHz。其与逻辑控制有关的输入输出与TTL/CMOS电平兼容，因此很容易与微处理器和微控制器接口。MC33186的功能结构如下图：

MC33186的控制逻辑电路部分提供功率部分的门极驱动，以及欠压、过热和过流保护。这部分电路产生的电机逻辑控制信号分别控制H桥的上下臂。由于大功率N沟道增强型场效应管构成的H桥不能由电机逻辑控制信号直接驱动，因此需要驱动信号放大电路和电荷泵电路将控制信号放大，然后才能驱动H桥功率，最终驱动电路来驱动直流电机。

电荷泵提供门驱动电压，基本原理是给电容充电，通过电容积累电荷产生高压。

跨接在输入输出之间的电容A端通过二极管接Vcc，另一端B接Vin，当B处的电位为0时，A处的电位为Vcc；当B的电位上升到Vin时，电容两端电容不能发生突变，依旧存在Vcc的电势差，因此A点的电位就会上升到Vcc+Vin。

MC33186功率输出级是组成桥式结构的4个功率MOSFET。T1和T3构成上半桥，T2和T4构成下半桥。上半桥和下半桥各由其自己的短路电流限制机制。电机工作时，H桥上T1,T2，T3，T4工作在斩波状态，其中T1和T4一组，T2和T3一组。这两组功率MOSFET 工作状态互补，T1/T4闭合时，T2/T3断开，电机正转；T2/T3闭合时，T1/T4断开，电机反转。

两个输入IN1和IN2分别控制H桥的左右两边。在控制电动机的时候，这两个信号既可以是静态的电平信号，也可以是PWM信号。两个输出OUT1和OUT2是与直流电动机连接的。由此可以看到，驱动器的使用避免了采用分立元件的复杂的设计和制作。

电机工作时，T1收到PWM信号的控制，DIR信号控制T4施加高电平，T2，T3施加低电平，电机根据PWM信号以一定的速度正转；T2收到PWM信号的控制，DIR信号控制T3施加高电平，T1，T4施加低电平，电机根据PWM信号以一定的速度反转。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。

PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，满足控制要求的一种电压调整方法。PWM调速控制的基本原理是以一定的固定频率来断开和接通电源，并根据需要改变一个周期内断开和接通的时间比(占空比)来改变直流电机上电枢的电压"占空比"，从而改变平均电压，

实现对电机转速的控制。在脉宽调速系统中，电机通电会增加电机转速，电机断电会降低电机的转速。只要按照一定的规律改变接通和断开电源的时间，实现对电机转速的控制。

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。采用P WM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。（[1] 方健,李肇基,张正,杨忠. 电荷泵高端浮动自举式H桥功率驱动电路[J]. 微电子学. 2000(03) ）

MC33186典型应用电路

MC33186真值表如下