微型电机驱动电路原理分析及实验

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微型电机驱动电路原理分析及实验
以下所述电路用于3V供电的微型直流电机的驱动，这种电机有两根引线，更换两根引线的极性，电机换向。该驱动电路要求能进行正反转和停止控制。
　　电路一
　　如下图所示，些电路是作者最初设计的电路，P1.3、P2.2和P2.4分别是51单片机的IO引脚。设计的工作原理是：当P1.3高电平、P2.2和P2.4都为低电平时，电机正转。此时，Q1和Q4导通，Q2和Q3截止，电流注向为＋5VàR1àQ1àMàQ4；当P1.3低电平、P2.2和P2.4都为高电平时，电机反转。此时，Q2和Q3导通，Q1和Q4截止。P2.2为高电平同时P2.4为低电平时，电路全不通，电机停止。
　　图中电阻：R1＝20Ω，R2＝R3＝R4＝510Ω



　　但实际实验情况去出人意料，即电机正向和反向都不转。经测量，当P1.3高电平，P2.2和P2.4都为低电平时，Q4导通，但Q1不导通，P1.3的电平只有0.67V左右，这样Q1无法导通。
　　经分析原因如下：51的P1、P2、P3各引脚都是内部经电阻上拉，对地接MOSFET管，所谓高电平，是MOSFET截止，引脚上拉电阻拉为高电平。若此内部上拉电阻很大，比如20K，则当上图电路接上后，则流过Q1的b极的电流最大为(5-0.7)/20mA=0.22mA，难以动Q1导通。所以此电路不通。
　　总结：51单片机的引脚上拉能力弱，不足以驱动三极管导通。
　　电路二
　　如下图所示：这个电路中四个三极管都采用PNP型，这样，导通的驱动是控制引脚输出低电平，而51的低电平时，是通过MOSFET接地，所以下拉能力极强。
　　但此电路的Q1和Q3需要分别控制，所需控制引脚较多。如果要用一个IO脚控制则可以加一个反相器。但此电路的Q1和Q3需要分别控制，所需控制引脚较多。如果要用一个IO脚控制则可以加一个反相器。如图3所示。图中标有各点实测电压值。
　　　




　　电路三
　　在电路二中，由于Q2和Q4的发射极高出基极一个0.7V，而基极最低为0V，实际由于CPU引脚内部有MOSFET管压降，所以Q2和Q4的发射极不会低于1V，这样使M两端的有效电压范围减小。
　　要解决这一问题，则Q2和Q4需换成NPN管。但NPN管的驱动如电路一所示，只靠CPU引脚的上拉是不行了，所以需要另加上拉电阻，如下图所示。



　　上图中，与电路一不同的是两只NPN管移到了下方，PNP在上方，这样，Q1和Q3的集电极的电位最低可达到一个管压降（0.3V）。这样增加了M的压降范围。
　　但为了保证对NPN管的足够的驱动，P1.3和P2.2必须加上拉电阻，如图所示。图中，R2、R5、R6都不可少。所以这种电路的元件用量比较大。
　　还有，R5应该比R6大几倍，比如10倍，这样，当Q1导通时，P1.3处的电压可以分得较大，不致于使Q2导通。如果R5太小或为0，则当Q1导通时，由于P1.3处的压降只有0.7V左右，将使Q2也导通。
　　经过试验，R2、R6、R3、R4可取510Ω，R5取5.1kΩ。这种值下各处的电压如下（R1为20欧）：
　　U1：4.04　U2：2.99　U3：3.87　U4：4.00　U5：0.06　U7：0.79
　　电路四
　　这个电路由电路一改造而来，如下图5，图中标有各点实测电压值：



　　此图中基极的限流电阻都去掉了，因为作者设计的电路对元件要求要少。从电路上分析，不要没什么关系，有R1起着总的限流作用，而且引脚内部有上拉电阻，这样保证电路不会通过太大的电流。
　　这个电路可以使电机运行。
　　但在R2的选择上，比较讲究，因为R2的上拉作用不但对Q1有影响，而且对Q2的导通也有影响。如果R2选的过小，则虽然对Q1的导通有利，但对Q2的导通却起到抵制作用，因为R2越小，上拉作用越强，Q2的导通是要P1.3电位越低越好，所以这是矛盾的。也就是说，Q1的导通条件和Q2的导通条件是矛盾的。
　　经实验，R2取5.1k欧比较合适。由此可见，这个电路虽然很省元件和CPU引脚，但驱动能力有个最大限，即Q1和Q2的驱动相互制约下，只能取个二者都差不多的折中方案。否则如果一个放大倍数大，则另一个则会变小。
　　总结：以上电路各有利蔽，要视应用场而选用。