本篇文章將介紹電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，并使用Multisim軟件進(jìn)行仿真。希望與大家一起學(xué)習(xí)進(jìn)步！也歡迎讀者朋友關(guān)注、收藏、分享和點(diǎn)贊，感謝支持！

01. 選擇控制對(duì)象

電機(jī)在生活中的應(yīng)用非常廣泛，將電能轉(zhuǎn)換成各種場(chǎng)合特定的機(jī)械能，以滿足日常工業(yè)生產(chǎn)及生活。其中常用的直流電機(jī)，因?yàn)榱己玫恼{(diào)速性能在電力拖動(dòng)中得到了很好的應(yīng)用。結(jié)合Multisim仿真軟件，設(shè)計(jì)電路對(duì)象選擇永磁直流電機(jī)。

02. 選擇傳感器對(duì)像

傳感器用來(lái)檢測(cè)電機(jī)的速度，這里選擇ITR9606 光電傳感器，即對(duì)射式的槽型光耦。選擇這種傳感器的原因是價(jià)格便宜，原理簡(jiǎn)單，雖然不能非常精確的檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，但是在一定程度上能夠滿足大部分場(chǎng)合的需要，而被人們廣泛應(yīng)用。

這種槽型的光耦在用來(lái)檢測(cè)電機(jī)速度的時(shí)候，還需要在電機(jī)的軸上加上一個(gè)圓盤(pán)，圓盤(pán)跟隨著電機(jī)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。在圓盤(pán)上一般會(huì)有凹槽或者圓孔，如果光耦輸出的信號(hào)被當(dāng)住，那么在傳感器的輸出端會(huì)輸出低電平，如果輸出的光信號(hào)能從孔中穿過(guò)而被正常接收，那么輸出就是高電平。

現(xiàn)在市場(chǎng)上應(yīng)用比較多的一般是將編碼器和電機(jī)外殼做在一起了，這樣做，精度和安全性以及使用壽命肯定比都分離開(kāi)的要好?？紤]到原理一樣，都是通過(guò)編碼器測(cè)量輸出的高低電平來(lái)計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，為了便于后續(xù)的仿真，所以這里選擇價(jià)格便宜的獨(dú)立的器件進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

市場(chǎng)采用的設(shè)計(jì)如下：

03. 傳感器特性分析

根據(jù)官方文檔資料，傳感器的關(guān)鍵特性參數(shù)如下所示：

工作電壓：3.3~5V

 輸出形式 ：開(kāi)關(guān)量輸出0/1

遮擋時(shí)：1 

無(wú)遮擋時(shí) 0

如果將輸出的開(kāi)關(guān)量輸入到單片機(jī)的I/O口，通過(guò)多次測(cè)量高點(diǎn)平或者低電平的時(shí)間，求取平均值，這樣是為了保證測(cè)量值是電機(jī)的穩(wěn)定的

04. 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的必須明確的一點(diǎn)就是設(shè)計(jì)的效果是怎樣的。如果驅(qū)動(dòng)的是簡(jiǎn)單的小功率或者單向轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)，那么利用一個(gè)大功率三極管或者M(jìn)OSFET就可以滿足要求。因此，在一開(kāi)始將驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)定為可調(diào)速，可正反轉(zhuǎn)。調(diào)速需要用到PWM，正反轉(zhuǎn)需要用到H橋來(lái)驅(qū)動(dòng)。H橋的橋臂，小功率的時(shí)候選擇三極管就可以實(shí)現(xiàn)。大功率則要選擇MOSFET來(lái)設(shè)計(jì)。

4.1 12V/3A直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

如果選定的直流電機(jī)12V/2A，電流達(dá)到2A，考慮到效率，散熱。功耗等問(wèn)題，選擇MOEFET進(jìn)行設(shè)計(jì)顯然是要優(yōu)于大功率三極管的。

在設(shè)計(jì)H橋的時(shí)候，要考慮的首要問(wèn)題就是在任何一邊的上下兩個(gè)橋臂不能導(dǎo)通，不然會(huì)造成電源的短路，電流非常大，直接將MOS管燒毀。因此，驅(qū)動(dòng)MOS管的電路一定保證正傳到反轉(zhuǎn)具有“死區(qū)”時(shí)間。這里驅(qū)動(dòng)MOS管的驅(qū)動(dòng)電路選擇可以設(shè)置“死區(qū)”時(shí)間的集成芯片IR2104。

根據(jù)IR2104的數(shù)據(jù)手冊(cè)可以看到，這是接的半橋形式，在應(yīng)用H橋的時(shí)候，要使用兩個(gè)IR2104。

從數(shù)據(jù)手冊(cè)里面還可以看到，該芯片具有的“死區(qū)”時(shí)間為520ns，可以保證上下橋臂不會(huì)在同時(shí)導(dǎo)通。如果根據(jù)需要還可以選擇IR2101芯片，在單片機(jī)輸出PWM波的時(shí)候就可以設(shè)置“死區(qū)”時(shí)間，綜合考慮，IR2104操作起來(lái)方便，而且SD片選信號(hào)可以很方便的對(duì)兩個(gè)IR2104進(jìn)行控制。

選擇集成的IR2104芯片作為驅(qū)動(dòng)MOS管的驅(qū)動(dòng)電路，主要是因?yàn)槿舨捎猛仆祀娐坊蛘咂渌姆蛛x元件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，高端的MOS管導(dǎo)通后，S級(jí)的電壓為電源電壓，這個(gè)時(shí)候是無(wú)法再進(jìn)行開(kāi)通，而會(huì)直接關(guān)斷，選擇集成的芯片能夠很好的解決這個(gè)問(wèn)題。如果上臂選擇PMOS管可以避免這個(gè)問(wèn)題，但是PMOS管在實(shí)際生活中應(yīng)用很少，而且價(jià)格昂貴，所以綜合各方面的因素，12V/3A電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)IR2104加上4個(gè)NMOS管組成的H橋電路。

4.2  5V/0.35A直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

這種小型的直流電機(jī)在玩具當(dāng)中應(yīng)用特別多。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)，H橋的橋臂可以直接選擇常用的8050和8550三極管即可，價(jià)格低廉，而且還容易做到。

PWM1和PWM2為信號(hào)輸入端，當(dāng)需要控制電機(jī)正傳的時(shí)候，將PWM1信號(hào)使能，PWM2信號(hào)關(guān)閉；當(dāng)需要控制電機(jī)反轉(zhuǎn)的時(shí)候，先將PWM1關(guān)閉，再將PWM2使能，這里利用單片機(jī)設(shè)置“死區(qū)”時(shí)間，來(lái)保證H橋的正常工作。

05. 整體電路設(shè)計(jì)

5.1  硬件電路設(shè)計(jì)

考慮到使用的仿真軟件是Mulsitim，該軟件中沒(méi)有集成的芯片H橋驅(qū)動(dòng)芯片，所以最后選擇以5V/0.35A小型直流電機(jī)控制電路進(jìn)行仿真。控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM在仿真軟件中，結(jié)合在課堂學(xué)習(xí)的滯回比較器使用運(yùn)放產(chǎn)生可調(diào)節(jié)占空比的PWM電路。

在PWM電路中，通過(guò)調(diào)節(jié)R2、C2、R12、R8來(lái)調(diào)節(jié)PWM的頻率。調(diào)節(jié)比較器的同相輸入端的電壓，來(lái)改變占空比。

5.2 電路仿真

5.3 仿真結(jié)果分析

電機(jī)啟動(dòng)時(shí)：

4通道示波器中紅色顯示的為PWM的占空比，此時(shí)的占空比為60%。黃色為編碼器的輸出為+5V的脈沖信號(hào)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器模擬的前面設(shè)計(jì)的對(duì)射式槽型光耦。在啟動(dòng)的過(guò)程中，可以看到編碼器輸出高電平的時(shí)間再減少，說(shuō)明轉(zhuǎn)速是在增加。綠色線是測(cè)量的RPM，在仿真中用到了Rad/S轉(zhuǎn)RPM轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成電壓讀數(shù)是90V。紫色線是直接測(cè)量電機(jī)軸的輸出，在軟件中轉(zhuǎn)速是以電壓體現(xiàn)的，在穩(wěn)定的時(shí)候，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓讀數(shù)為189V。

占空比改變時(shí)：

紅色顯示的PWM占空比，此時(shí)的占空比是80%，與圖16相比，可以看到當(dāng)占空比增加的時(shí)候，電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，紫色線是轉(zhuǎn)速電壓示數(shù)為392V，占空比增加，轉(zhuǎn)速明顯增加。同時(shí)可以看到啟動(dòng)的時(shí)間也有所減小。

電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)：

06.總結(jié)

通過(guò)設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)槽型光耦傳感器，H橋驅(qū)動(dòng)電路，三極管搭建的H橋電路，以及利用三極管進(jìn)行邏輯取反，利用運(yùn)放搭建矩形波等等內(nèi)容進(jìn)行了相應(yīng)的學(xué)習(xí)。加深了對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)的理解，同時(shí)熟練了mulsitim仿真軟件的使用。在完成的過(guò)程中，遇到了理論性知識(shí)的錯(cuò)誤，特別是控制分離元件的H橋邏輯，開(kāi)始竟然理解錯(cuò)誤了，后來(lái)實(shí)際的仿真和分析才發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題所在。