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博文內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行來源記錄。

1基礎知識

1.1專業名詞

本小節用于闡述本文將提到的專業名詞。

邏輯電壓：用于表示邏輯的高電平或低電平，驅動能力很弱

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

欠壓保護：欠壓狀況下，后續電路要保持相同的功率，根據公式P=UI，就會增加電流值，導致設備過載，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電路來斷開和電源的連接，即欠壓保護電路。

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

1.2電路結構

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光器（紅外線發光二極管LED）與受光器（光敏半導體管，光敏電阻）。當施加電信號到發光器時，發光器發出光線，受光器接受光線之后就電學性能發生變化，從而實現了“電—光—電”轉換。

光耦的最大作用就是隔離作用。將發光器和受光器兩端的電氣回路隔離開，通過光作為媒介進行傳遞。
光電隔離具有體積小，結構簡單等優點，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成。

自舉電路的電路結構區別于升壓斬波電路。

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，當電容兩端保持有一定電壓時，提高電容負端電壓，正端電壓仍保持于負端的原始壓差，等于正端的電壓被負端舉起來了。

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，輸出具有驅動能力的高電平和低電平，進而提高電路的負載能力。
下圖為圖騰柱的電路結構，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，兩只對稱的開關管每次只有一個導通：用同一信號驅動兩個b極，驅動信號為高時，NPN導通；驅動信號為低時，PNP導通。

1.3 PWM技術簡述

如下圖所示，利用半導體開關，可以將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電，即把直流電壓斬成一系列脈沖：半導體開關導通時，直流電壓為高電平狀態；半導體幵關斷開時，直流電壓降為低電平，這樣就把直流電壓變成了脈沖信號，通過改變半導體幵關的通斷狀態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處于通態的時間，toff為V處于斷態的時間，T為開關周期，E為Uo最大值，α為導通占空比，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行調制，來獲得所需電壓Uo。

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

PWM控制技術就是對脈沖寬度進行調制，來等效獲取所需波形的技術，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節，環節的輸出響應波形基本相同。

沖量：窄脈沖面積

PWM信號是模擬信號還是數字信號？

2驅動電路工作原理

驅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行放大的中間電路（即放大控制電路的信號使其能夠驅動功率晶體管）。單片機PWM信號往往不足以驅動半橋/全橋電路，所以常需要增設半橋/全橋驅動電路來使單片機輸出的PWM信號轉換成同步高壓信號。

2.1全橋

H橋是一個典型的直流電機控制電路，可使其連接的負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個開關管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠。

要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。下圖表示了電機正轉反轉時的電流流向。

2.2半橋

半橋是兩個功率開關器件（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。這種結構在 PWM 電機控制、DC-AC逆變、電子鎮流器等場合有著廣泛的應用。

上下兩個開關管由反相的信號控制，當一個功率管開時，另一個關斷，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

由于開關延時的存在，當其中的一個管子柵極信號變為低時，它并不會立刻關斷，因此一個管子必須在另一個管子關斷后一定時間方可開啟，以防止同時開啟造成的電流穿通，這個時間稱為死區時間（Dead time）。

3半橋驅動芯片

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動電路，其關鍵在于如何實現上橋的驅動。VCC是一個典型值為+15v功率管柵極驅動電源，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在上橋臂調制。

引腳功能：

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

當Q1關斷，Q2開通時，A點電位由于Q2的續流而回零，VCC經VD1、C1、負載、Q2給C2充電，以確保Q2關斷、Q1開通時，Q1管的柵極靠C1上足夠的儲能來驅動，從而實現自舉式驅動。

當輸入信號Hin開通時，上橋臂的驅動由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斷，減少開關損耗，縮短MOS管關斷時的不穩定過程。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致上下橋穿通的現象。

4全橋驅動芯片

L298N
內部結構框圖：

接線原理圖：

邏輯功能圖：

這是一款非常經典的雙H橋電機驅動芯片，可以同時驅動兩個直流電機。它可以提供5至35 V的驅動電壓，最大功率為25W，邏輯部分由5 V供電；調速方面，通過輸出PWM來進行控制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動板使能端和信號端，驅動板的輸出端與直流電機連接。

L298N 電機驅動板 - 詳細介紹

附錄 基于STM32的直流電機PWM調速系統設計

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

2系統硬件設計

2.1系統硬件總體方案設計

該調速系統以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生PWM控制信號；L298N及其外圍電路連接單片機與電機，驅動12V直流電機正常工作；鍵盤控制模塊由6個獨立的按鍵組成，可以控制電機的運動，停止，加速，減速，正向旋轉，反向旋轉。該系統整體框如圖2所示。

圖 2 系統硬件組成框圖

2.3直流電機驅動電路L298N

STM32輸出的PWM僅為3.3V電平，難以驅動12V直流電機，因此可采取直流電機驅動電路來提高驅動能力。本設計使用L298N，這是一款非常經典的雙H橋電機驅動芯片，可以驅動兩個直流電機。它可以提供5至35 V的驅動電壓，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，滿足本設計需求，使用時將主控板輸出端連接至驅動板使能端和信號端，驅動板的輸出端與直流電機連接。

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，微控制器將執行相應的控制任務，并通過I / O端口輸出電流信號和PWM波信號。電流信號的正或負決定使能端上的信號電平，而使能端的信號狀態又決定直流電動機的旋轉狀態。當使能端為高電平時，PWM波的占空比決定了直流電機的速度。PWM波信號經由L298N驅動電路放大后，將控制直流電機完成相應動作。

3系統軟件設計

STM32系列MCU有許多的開發工具可供開發者選擇，常用由Keil公司發行的ARM開發工具MDK來編寫嵌入式應用程序。MDK提供了一個完整的開發環境，其強大的功能可以滿足開發者的大部分需求，進而減少了代碼開發難度。
系統程序按功能可劃分為主程序、調速程序和正反轉程序，主程序用來完成系統相關初始化，調速程序控制直流電機轉速，正反轉程序控制電機的旋轉方向，這些代碼皆通過C語言編寫。

3.1主程序設計

主程序用于完成直流電機調速系統的初始化、單片機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，本設計采用直接啟動電機的方法，這是因為該電機屬于微小型電機。為了節省成本，設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置為較低的水平。

3.2調速程序設計

更改PWM波的占空比以調整直流電機的速度?？梢允褂肧TM32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7路PWM輸出。本設計使用TIM14_CH1進行PWM輸出，其配置的具體步驟[3]為：（1）開啟 TIM14 和 GPIO 時鐘，配置 PF9 選擇復用功能 AF9（TIM14）輸出；（2）初始化 TIM14,設置 TIM14 的 ARR 和 PSC 等參數；（3）設置 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 正反轉程序設計

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。當使能端口ENA/ ENB為低電平時，電機處于停止狀態；當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，直流電動機處于制動狀態；當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，電機將朝相反的方向運行。只需要根據這一原理配置單片機IO口的輸出，即可實現直流電機的正反轉變換。
圖4和圖5分別展示了直流電機正反轉及調速部分程序流程。共有3種速度狀態，速度檔位0為低速狀態，為默認初始速度；速度檔位1為中速狀態，速度檔位2為高速狀態。速度檔位通過加速/減速鍵切換。

圖 4 直流電機正轉及調速部分程序流程圖

圖 5 直流電機反轉及調速部分程序流程圖

參考文獻

[1]王兆安,劉進軍.電力電子技術[M].機械工業出版社:北京,2009:162.
[2]殷留留,韓森.基于L298N的直流電機調速系統的設計與應用[J].信息技術,2017,6:105.
[3]李輝,石書琪.基于 STM32 單片機的數字直流調速系統的設計[J].邵陽學院學報( 自然科學版),2017,14(1):91.

總結

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容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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