设计一个电机驱动电路及仿真

1.选择控制对象

电机在生活中的应用非常广泛，将电能转换成各种场合特定的机械能，以满足日常工业生产及生活。其中常用的直流电机，因为良好的调速性能在电力拖动中得到了很好的应用。结合Multisim仿真软件，设计电路对象选择永磁直流电机。

2.选择传感器对像

传感器用来检测电机的速度，这里选择ITR9606 光电传感器，即对射式的槽型光耦。选择这种传感器的原因是价格便宜，原理简单，虽然不能非常精确的检测电机的转速，但是在一定程度上能够满足大部分场合的需要，而被人们广泛应用。

这种槽型的光耦在用来检测电机速度的时候，还需要在电机的轴上加上一个圆盘，圆盘跟随着电机轴一起转动。在圆盘上一般会有凹槽或者圆孔，如果光耦输出的信号被当住，那么在传感器的输出端会输出低电平，如果输出的光信号能从孔中穿过而被正常接收，那么输出就是高电平。

现在市场上应用比较多的一般是将编码器和电机外壳做在一起了，这样做，精度和安全性以及使用寿命肯定比都分离开的要好。考虑到原理一样，都是通过编码器测量输出的高低电平来计算出电机的转速，为了便于后续的仿真，所以这里选择价格便宜的独立的器件进行分析和设计。

市场采用的设计如下：

3.传感器特性分析

根据官方文档资料，传感器的关键特性参数如下所示
工作电压 3.3~5V 输出形式 开关量输出0/1
遮挡时 1 无遮挡时 0
如果将输出的开关量输入到单片机的I/O口，通过多次测量高点平或者低电平的时间，求取平均值，这样是为了保证测量值是电机的稳定的条件下测量的，那么就知道电机的转速了。

4.驱动电路设计

在设计驱动电路的必须明确的一点就是设计的效果是怎样的。如果驱动的是简单的小功率或者单向转动的电机，那么利用一个大功率三极管或者MOSFET就可以满足要求。因此，在一开始将驱动电路的设计目标定为可调速，可正反转。调速需要用到PWM，正反转需要用到H桥来驱动。H桥的桥臂，小功率的时候选择三极管就可以实现。大功率则要选择MOSFET来设计。

4.1 12V/3A直流电机驱动电路设计

如果选定的直流电机12V/2A，电流达到2A，考虑到效率，散热。功耗等问题，选择MOEFET进行设计显然是要优于大功率三极管的。

在设计H桥的时候，要考虑的首要问题就是在任何一边的上下两个桥臂不能导通，不然会造成电源的短路，电流非常大，直接将MOS管烧毁。因此，驱动MOS管的电路一定保证正传到反转具有“死区”时间。这里驱动MOS管的驱动电路选择可以设置“死区”时间的集成芯片IR2104。


根据IR2104的数据手册可以看到，这是接的半桥形式，在应用H桥的时候，要使用两个IR2104。

从数据手册里面还可以看到，该芯片具有的“死区”时间为520ns，可以保证上下桥臂不会在同时导通。如果根据需要还可以选择IR2101芯片，在单片机输出PWM波的时候就可以设置“死区”时间，综合考虑，IR2104操作起来方便，而且SD片选信号可以很方便的对两个IR2104进行控制。

选择集成的IR2104芯片作为驱动MOS管的驱动电路，主要是因为若采用推挽电路或者其他的分离元件进行驱动，高端的MOS管导通后，S级的电压为电源电压，这个时候是无法再进行开通，而会直接关断，选择集成的芯片能够很好的解决这个问题。如果上臂选择PMOS管可以避免这个问题，但是PMOS管在实际生活中应用很少，而且价格昂贵，所以综合各方面的因素，12V/3A电机驱动电路设计IR2104加上4个NMOS管组成的H桥电路。

4.2 5V/0.35A直流电机驱动电路设计

这种小型的直流电机在玩具当中应用特别多。驱动电路设计时，H桥的桥臂可以直接选择常用的8050和8550三极管即可，价格低廉，而且还容易做到。

PWM1和PWM2为信号输入端，当需要控制电机正传的时候，将PWM1信号使能，PWM2信号关闭；当需要控制电机反转的时候，先将PWM1关闭，再将PWM2使能，这里利用单片机设置“死区”时间，来保证H桥的正常工作。

5.整体电路设计

5.1硬件电路设计

考虑到使用的仿真软件是Mulsitim，该软件中没有集成的芯片H桥驱动芯片，所以最后选择以5V/0.35A小型直流电机控制电路进行仿真。控制电机转速的PWM在仿真软件中，结合在课堂学习的滞回比较器使用运放产生可调节占空比的PWM电路。

在PWM电路中，通过调节R2、C2、R12、R8来调节PWM的频率。调节比较器的同相输入端的电压，来改变占空比。

5.2电路仿真

5.3仿真结果分析

电机启动时：

4通道示波器中红色显示的为PWM的占空比，此时的占空比为60%。黄色为编码器的输出为+5V的脉冲信号，当电机转动时，编码器模拟的前面设计的对射式槽型光耦。在启动的过程中，可以看到编码器输出高电平的时间再减少，说明转速是在增加。绿色线是测量的RPM，在仿真中用到了Rad/S转RPM转换器，转换成电压读数是90V。紫色线是直接测量电机轴的输出，在软件中转速是以电压体现的，在稳定的时候，转速转换成电压读数为189V。
占空比改变时：

红色显示的PWM占空比，此时的占空比是80%，与图16相比，可以看到当占空比增加的时候，电机的转速增加，紫色线是转速电压示数为392V，占空比增加，转速明显增加。同时可以看到启动的时间也有所减小。
电机反转时：

6.总结

通过设计电机驱动电路，对槽型光耦传感器，H桥驱动电路，三极管搭建的H桥电路，以及利用三极管进行逻辑取反，利用运放搭建矩形波等等内容进行了相应的学习。加深了对直流电机驱动电路的设计的理解，同时熟练了mulsitim仿真软件的使用。在完成的过程中，遇到了理论性知识的错误，特别是控制分离元件的H桥逻辑，开始竟然理解错误了，后来实际的仿真和分析才发现了问题所在。