MOSFET電機驅動的設計

石進遠 代月明 藺寧寧 張成

摘要： 介紹一種由場效應管組成的H橋直流電機驅動器，調速性能優良，制動能力強。闡述MOSFET集成驅動芯片IR4227的工作原理，說明STC12C5A60S2 2單片機產生PWM信號的軟件設計方法。

關鍵詞：場效應管；PWM；電動機驅動；

本文介紹一種采用MOSFET驅動芯片[1]和MOSFET組成的用于PWM調速的電機驅動電路[2]。該電路H全橋電路驅動能力強、響應速度快、導通電阻小。

1 直流電機驅動電路的設計

現在設Q1和Q4管導通，電機運行，如圖1所示。

一般MOSFET的RDS在毫歐級別，所以MOSFET的壓降VDS近似忽略。

這樣，out1點的電位就近似為電源電壓（電源電壓使用12V），out2點的電位就近似為0V。如果要導通Q4，Q4的柵極電壓要大于3V，單片機的I/O輸出可以達到5V，所以是可以順利導通Q4的。接下來，導通Q1必須至少在Q1的柵極施加15V的電壓，依靠單片機的I/O口輸出是辦不到的。所以，考慮到這個原因，設計出兩種H橋驅動電路[3]。

一種是全N管的H橋電路，加MOSFET驅動芯片，驅動芯片由升壓芯片將電壓提升到足夠超過N管的VGS閥值電壓來供電使其工作。另一種是P管加N管的驅動橋，P管和N管組合搭建的H橋驅動電路給在使用時解決驅動電壓的問題提供有效的方式。P型MOSFET只要柵極電壓小于源極電壓（VGS為負值），并且它的值小于某一負的電壓值，MOSFET的S極和D極就會導通，電流從S極流向D極。一般P型MOSFET的VGS閥值電壓都會在3V～20V之間。如圖2所示。

假設Q1和Q4導通，電機運行。想要導通Q4（Q4是N型管），只需要給一個高電平信號就可以。想要導通Q1（Q1是P型管），只需要給一個低電平信號。

經過對兩種驅動電路的比較后，為減少電路的復雜程度，使電路更為精簡，最終選擇使用P型和N型MOSFET搭建的驅動電路。

在使用IR44427的同時，的控制信號有兩個管腳，控制兩路信號。它的輸入信號與輸出信號之間的關系如圖3所示：

用一片IR4427及兩個P型和兩個N型MOSFET作為分立元件，來組成全橋的電機驅動電路。同時，因為橋式驅動電路的工作電流較大，為保證主控制器的穩定工作，避免驅動電路對主控制器產生干擾，再加上光耦隔離芯片。

本方案中選擇的是HCPL2630雙通道邏輯輸出光電耦合器，其輸入信號最大可達到1Mhz，完全滿足本系統電機控制的10Khz的需求。其應用電路如圖310所示。理論上，輸入脈沖信號的占空比在0%之時電機速度為零，脈沖信號范圍在0～100%之間，對應控制電機從靜止到滿轉。PWM1_1給PWM，PWM1_2給0，電機正轉。同理PWM1_2給PWM，PWM1_1給0，電機反轉。

2 結語

電路設計時，采取合理的措施把強電和弱電隔離開來，MOSFET的強電干擾可以抑制。該電機驅動器的調速線性性能好，調速頻帶寬度打，可以在1～100K范圍內工作。所要求的控制信號簡單，很多邏輯都在驅動器上用硬件設計。該驅動器的保護電路性能良好，安全性高，無控制信號時，電機處于剎車狀態，可用于很多領域。

參考文獻：

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