中心論題：
- 直流電機驅動控制電路總體結構
- H橋功率驅動原理
- 直流電機驅動控制電路設計
解決方案：
- 光電隔離電路
- 電機驅動邏輯電路
- 電荷泵電路和驅動信號放大電路
- H橋功率驅動電路
引言
長期以來，直流電機以其良好的線性特性、優異的控制性能等特點成為大多數變速運動控制和閉環位置伺服控制系統的最佳選擇。特別隨著計算機在控制領域，高開關頻率、全控型第二代電力半導體器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的發展，以及脈寬調制(PWM)直流調速技術的應用，直流電機得到廣泛應用。為適應小型直流電機的使用需求，各半導體廠商推出了直流電機控制專用集成電路，構成基于微處理器控制的直流電機伺服系統。但是，專用集成電路構成的直流電機驅動器的輸出功率有限，不適合大功率直流電機驅動需求。因此采用N溝道增強型場效應管構建H橋，實現大功率直流電機驅動控制。該驅動電路能夠滿足各種類型直流電機需求，并具有快速、精確、高效、低功耗等特點，可直接與微處理器接口，可應用PWM技術實現直流電機調速控制。
直流電機驅動控制電路總體結構
直流電機驅動控制電路分為光電隔離電路、電機驅動邏輯電路、驅動信號放大電路、電荷泵電路、H橋功率驅動電路等四部分，其電路框圖如圖1所示。
由圖可以看出，電機驅動控制電路的外圍接口簡單。其主要控制信號有電機運轉方向信號Dir電機調速信號PWM及電機制動信號Brake，Vcc為驅動邏輯電路部分提供電源，Vm為電機電源電壓，M+、M-為直流電機接口。
在大功率驅動系統中，將驅動回路與控制回路電氣隔離，減少驅動控制電路對外部控制電路的干擾。隔離后的控制信號經電機驅動邏輯電路產生電機邏輯控制信號，分別控制H橋的上下臂。由于H橋由大功率N溝道增強型場效應管構成，不能由電機邏輯控制信號直接驅動，必須經驅動信號放大電路和電荷泵電路對控制信號進行放大，然后驅動H橋功率驅動電路來驅動直流電機。
H橋功率驅動原理
直流電機驅動使用最廣泛的就是H型全橋式電路，這種驅動電路方便地實現直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。H橋功率驅動原理圖如圖2所示。
H型全橋式驅動電路的4只開關管都工作在斬波狀態。S1、S2為一組，S3、S4為一組，這兩組狀態互補，當一組導通時，另一組必須關斷。當S1、S2導通時，S3、S4關斷，電機兩端加正向電壓實現電機的正轉或反轉制動；當S3、S4導通時，S1、S2關斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉制動。
實際控制中，需要不斷地使電機在四個象限之間切換，即在正轉和反轉之間切換，也就是在S1、S2導通且S3、S4關斷到S1、S2關斷且S3、S4導通這兩種狀態間轉換。這種情況理論上要求兩組控制信號完全互補，但是由于實際的開關器件都存在導通和關斷時間，絕對的互補控制邏輯會導致上下橋臂直通短路。為了避免直通短路且保證各個開關管動作的協同性和同步性，兩組控制信號理論上要求互為倒相，而實際必須相差一個足夠長的死區時間，這個校正過程既可通過硬件實現，即在上下橋臂的兩組控制信號之間增加延時，也可通過軟件實現。
圖2中4只開關管為續流二極管，可為線圈繞組提供續流回路。當電機正常運行時，驅動電流通過主開關管流過電機。當電機處于制動狀態時，電機工作在發電狀態，轉子電流必須通過續流二極管流通，否則電機就會發熱，嚴重時甚至燒毀。
直流電機驅動控制電路設計
由直流電機驅動控制電路框圖可以看出驅動控制電路結構簡單，主要由四部分電路構成，其中光電隔離電路較簡單，在此不再介紹，下面對直流電機驅動控制電路的其他部分進行詳細介紹。
在直流電機控制中常用H橋電路作為驅動器的功率驅動電路。由于功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關速度快、無二次擊穿現象等特點，滿足高速開關動作需求，因此常用功率MOSFET構成H橋電路的橋臂。H橋電路中的4個功率MOSFET分別采用N溝道型和P溝道型，而P溝道功率MOSFET一般不用于下橋臂驅動電機，這樣就有兩種可行方案：一種是上下橋臂分別用2個P溝道功率MOSFET和2個N溝道功率MOSFET；另一種是上下橋臂均用N溝道功率MOSFET。
相對來說，利用2個N溝道功率MOSFET和2個P溝道功率MOSFET驅動電機的方案，控制電路簡單、成本低。但由于加工工藝的原因，P溝道功率MOSFET的性能要比N溝道功率MOSFET的差，且驅動電流小，多用于功率較小的驅動電路中。而N溝道功率MOSFET，一方面載流子的遷移率較高、頻率響應較好、跨導較大；另一方面能增大導通電流、減小導通電阻、降低成本，減小面積。綜合考慮系統功率、可靠性要求，以及N溝道功率MOSFET的優點，本設計采用4個相同的N溝道功率MOSFET的H橋電路，具備較好的性能和較高的可靠性，并具有較大的驅動電流。其電路圖如圖3所示。圖中Vm為電機電源電壓，4個二極管為續流二極管，輸出端并聯一只小電容C6，用于降低感性元件電機產生的尖峰電壓。
