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MOSFET电机驱动的设计

作者：石进远 代月明 蔺宁宁 张成 来源：《科技风》2017年第10期

摘要： 介绍一种由场效应管组成的H桥直流电机驱动器，调速性能优良，制动能力强。阐述MOSFET集成驱动芯片IR4227的工作原理，说明STC12C5A60S2 2单片机产生PWM信号的软件设计方法。

关键词：场效应管；PWM；电动机驱动；

本文介绍一种采用MOSFET驱动芯片[1]和MOSFET组成的用于PWM调速的电机驱动电路[2]。该电路H全桥电路驱动能力强、响应速度快、导通电阻小。 1 直流电机驱动电路的设计

现在设Q1和Q4管导通，电机运行，如图1所示。

一般MOSFET的RDS在毫欧级别，所以MOSFET的压降VDS近似忽略。

这样，out1点的电位就近似为电源电压（电源电压使用12V），out2点的电位就近似为0V。如果要导通Q4，Q4的栅极电压要大于3V，单片机的I/O输出可以达到5V，所以是可以顺利导通Q4的。接下来，导通Q1必须至少在Q1的栅极施加15V的电压，依靠单片机的I/O口输出是办不到的。所以，考虑到这个原因，设计出两种H桥驱动电路[3]。

一种是全N管的H桥电路，加MOSFET驱动芯片，驱动芯片由升压芯片将电压提升到足够超过N管的VGS阀值电压来供电使其工作。另一种是P管加N管的驱动桥，P管和N管组合搭建的H桥驱动电路给在使用时解决驱动电压的问题提供有效的方式。P型MOSFET只要栅极电压小于源极电压（VGS为负值），并且它的值小于某一负的电压值，MOSFET的S极和D极就会导通，电流从S极流向D极。一般P型MOSFET的VGS阀值电压都会在3V～20V之间。如图2所示。

假设Q1和Q4导通，电机运行。想要导通Q4（Q4是N型管），只需要给一个高电平信号就可以。想要导通Q1（Q1是P型管），只需要给一个低电平信号。

经过对两种驱动电路的比较后，为减少电路的复杂程度，使电路更为精简，最终选择使用P型和N型MOSFET搭建的驱动电路。

在使用IR44427的同时，的控制信号有两个管脚，控制两路信号。它的输入信号与输出信号之间的关系如图3所示：

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用一片IR4427及两个P型和两个N型MOSFET作为分立元件，来组成全桥的电机驱动电路。同时，因为桥式驱动电路的工作电流较大，为保证主控制器的稳定工作，避免驱动电路对主控制器产生干扰，再加上光耦隔离芯片。

本方案中选择的是HCPL2630双通道逻辑输出光电耦合器，其输入信号最大可达到1Mhz，完全满足本系统电机控制的10Khz的需求。其应用电路如图310所示。理论上，输入脉冲信号的占空比在0%之时电机速度为零，脉冲信号范围在0～100%之间，对应控制电机从静止到满转。PWM1_1给PWM，PWM1_2给0，电机正转。同理PWM1_2给PWM，PWM1_1给0，电机反转。 2 结语

电路设计时，采取合理的措施把强电和弱电隔离开来，MOSFET的强电干扰可以抑制。该电机驱动器的调速线性性能好，调速频带宽度打，可以在1～100K范围内工作。所要求的控制信号简单，很多逻辑都在驱动器上用硬件设计。该驱动器的保护电路性能良好，安全性高，无控制信号时，电机处于刹车状态，可用于很多领域。 参考文献：

[1]王严.基于单片机的无刷直流电机控制系统设计与实现[D].南京：南京邮电大学硕士论文，2013.

[2]解俊.基于ARM的智能小车控制软件系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学硕士论文，2014.

[3]陈德益.基于嵌入式单片机的电机控制系统设计[J].计算机仿真，2010，01. [4]高振天，袁伟.基于ARM的无刷直流电机调速系统[J].电气技术，2012，09.

[5]马潮.高档8位单片机Atmega128原理与开发应用指南[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

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