阅读说明：本技术 一种电机驱动电路 (Motor driving circuit ) 是由 曾雄伟 方榆 陈树波 于 2018-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电机驱动电路,包括H桥、第一控制电路和第二控制电路；所述H桥包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管,以及起到钳位作用的第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管。本发明电机驱动电路的H桥设有钳位二极管进行保护,防止场效应管短路时电流过大而烧毁场效应管或电机；驱动电路的主要元件为分立元件,能够通过大电流、承受大功率、散热效果好、电能转换效率高,尤其适合200W以上的大功率直流电机的连续驱动。本发明广泛应用于电子电路技术领域。(The invention discloses a motor driving circuit, which comprises an H bridge, a first control circuit and a second control circuit, wherein the H bridge is connected with the first control circuit; the H-bridge comprises a first field effect transistor, a second field effect transistor, a third field effect transistor, a fourth field effect transistor, a first diode, a second diode, a third diode and a fourth diode which play a clamping role. The H bridge of the motor driving circuit is provided with a clamping diode for protection, so that the field effect transistor or the motor is prevented from being burnt due to overlarge current when the field effect transistor is in short circuit; the main elements of the driving circuit are discrete elements, can bear high power through large current, have good heat dissipation effect and high electric energy conversion efficiency, and are particularly suitable for continuous driving of a high-power direct current motor with the power of more than 200W. The invention is widely applied to the technical field of electronic circuits.)

一种电机驱动电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其是一种电机驱动电路。

背景技术

术语解释

直流电机：能将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。

门电路：用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称为门电路，常用的门电路在逻辑功能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等几种。与集成电路相比，分立门电路的优点是具有纳秒级快速响应。

直流电机被广泛应用在各个领域，通常使用H桥去驱动直流电机。传统的H桥如图1所示，其包括四个场效应管Q1-Q4，用于驱动电机M，其中，两个场效应管Q1、Q2位于H桥的上端两边，两个场效应管Q3、Q4位于H桥的下端两边，电机M位于中间横桥上。要使电机M转动，需导通H桥上端和与其对角的H桥下端两个边上的一对场效应管。根据两种对角边上的场效应管导通状态的不同，通过电机M的电流可以从左至右或从右至左，从而实现电机M正转或反转。在实现正、反转交替过程中，必须保证H桥驱动电路同一侧的场效应管不会同时导通，若同一侧的驱动管同时导通，电流将会从正极直接流向电源地，由于电路中除了两个场效应管之外，没有其它负载，将导致场效应管烧毁。

为了使四个场效应管Q1-Q4可以按照需要而导通或截断，还需要为H桥配备相应的控制电路。现有的LMD18200、L6203和L298等芯片将H桥和控制电路集成在了同一芯片上。使用集成电路的好处是电路结构简单，仅使用少量***电路元件搭配即可工作，但集成电路与分立元件电路相比存在天然的缺陷，就是可以承受的电流小，这使得集成电路H桥的驱动功率受到限制，而且集成电路也深受发热问题的困扰，同时集成电路也容易受外界电磁波的干扰甚至发生瘫痪。总之，现有技术中，无论是分立元件组建的H桥还是集成电路形式的H桥，都存在着场效应管容易烧毁的缺陷。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目在于提供一种电机驱动电路。

本发明所采取的技术方案是：

一种电机驱动电路，包括H桥、第一控制电路和第二控制电路；

所述H桥包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管；所述第一场效应管的漏极与第二场效应管的漏极均连接到电源，所述第三场效应管的源极与第四场效应管的源极连接作为接地端，所述第一场效应管的源极与第三场效应管的漏极连接，所述第二场效应管的源极与第四场效应管的漏极连接；所述第一场效应管的栅极作为H桥的第一控制端，所述第二场效应管的栅极作为H桥的第二控制端，所述第三场效应管的栅极作为H桥的第三控制端，所述第四场效应管的栅极作为H桥的第四控制端；

所述第一控制端和第三控制端均与第一控制电路连接，所述第二控制端和第四控制端均与第二控制电路连接；

所述H桥还包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，所述第一二极管和第三二极管反向串接在第一场效应管的漏极和第三场效应管的源极之间，所述第二二极管和第四二极管反向串接在第二场效应管的漏极和第四场效应管的源极之间，所述第一二极管与第三二极管的连接点作为H桥与电机连接的第一供电端，所述第二二极管与第四二极管的连接点作为H桥与电机连接的第二供电端；

所述第一供电端与第一场效应管的源极连接，所述第二供电端与第二场效应管的源极连接。

进一步地，所述第一控制电路包括第一芯片和第一自举电路；

所述第一芯片包括使能端、控制信号接收端、高端栅极驱动输出端、低端栅极驱动输出端、高端浮动电源端和高端浮动电源返回端；所述使能端用于接收使能信号，所述控制信号接收端用于接收控制信号，所述高端栅极驱动输出端与第一控制端连接，所述低端栅极驱动输出端与第三控制端连接，所述高端浮动电源返回端与第一场效应管的源极连接；

所述第一自举电路包括第五二极管和第一电容，所述第一电容连接在高端浮动电源端和高端浮动电源返回端之间，所述第五二极管的负极与高端浮动电源端连接，所述第五二极管的正极连接到电源。

进一步地，所述第一控制电路还包括第一高端限幅电路和第一低端限幅电路，所述第一高端限幅电路由第一电阻和第六二极管并联组成，所述第一低端限幅电路由第二电阻和第七二极管并联组成，所述第一高端限幅电路连接在高端栅极驱动输出端与第一控制端之间，所述第一低端限幅电路连接在低端栅极驱动输出端与第三控制端之间。

进一步地，所述电机驱动电路还包括欠压保护电路，所述欠压保护电路包括第一分压电路、第一非门、第二非门和第三非门，所述第一分压电路用于采集电源对地电压并输入到第一非门的输入端，所述第一非门的输出端通过第二非门与第三非门的输入端连接，所述第三非门的输出端与第一芯片的使能端连接。

进一步地，所述电机驱动电路还包括过压保护电路，所述过压保护电路包括第二分压电路和第四非门，所述第二分压电路用于采集电源对地电压并输入到第四非门的输入端，所述第四非门的输出端与第一芯片的使能端连接。

进一步地，所述电机驱动电路还包括限流保护电路，所述限流保护电路包括电流采样电阻、同相比例放大器和第五非门，所述电流采样电阻连接在H桥的接地端与地线之间，所述同相比例放大器的输入端与H桥的接地端连接，所述同相比例放大器的输出端通过第五非门与第一芯片的使能端连接。

进一步地，所述电机驱动电路还包括过热保护电路，所述过热保护电路包括热敏电阻和电压比较器，所述热敏电阻用于测量H桥的温度，所述热敏电阻连接在电压比较器的反相输入端与地线之间，所述电压比较器的同相输入端连接到一比较电压，所述电压比较器的输出端与第一芯片的使能端连接。

本发明的有益效果是：H桥设有钳位二极管进行保护，防止场效应管短路时电流过大而烧毁场效应管或电机；驱动电路的主要元件为分立元件，能够通过大电流、承受大功率、散热效果好、电能转换效率高，尤其适合200W以上的大功率直流电机的连续驱动。进一步地，设有简单可靠的欠压、过压、限流和过热保护电路，防止欠压、过压、限流和过热带来的不良影响；由于整体使用分立电路设计，与集成电路相比具有响应速度快、对电磁波干扰不敏感的优点。

附图说明

图1为现有技术H桥的电路图；

图2为实施例1中H桥的电路图；

图3为实施例2中第一控制电路的电路图；

图4为实施例3中欠压保护电路的电路图；

图5为实施例4中过压保护电路的电路图；

图6为实施例5中限流保护电路的电路图；

图7为实施例6中过热保护电路的电路图；

图8为实施例3-6中各电路与第一芯片的接线电路图。

具体实施方式

实施例1

本实施例中，一种电机驱动电路，包括H桥、第一控制电路和第二控制电路；

参照图2，所述H桥包括第一场效应管Q1、第一场效应管Q2、第三场效应管Q3和第四场效应管Q4；所述第一场效应管Q1的漏极与第一场效应管Q2的漏极均连接到电源VCC，所述第三场效应管Q3的源极与第四场效应管Q4的源极连接作为接地端COM，所述第一场效应管Q1的源极与第三场效应管Q3的漏极连接，所述第一场效应管Q2的源极与第四场效应管Q4的漏极连接；所述第一场效应管Q1的栅极作为H桥的第一控制端G1_CTL，所述第一场效应管Q2的栅极作为H桥的第二控制端G2_CTL，所述第三场效应管Q3的栅极作为H桥的第三控制端G3_CTL，所述第四场效应管Q4的栅极作为H桥的第四控制端G4_CTL；

所述第一控制端G1_CTL和第三控制端G3_CTL分别与第一控制电路连接，所述第二控制端G2_CTL和第四控制端G4_CTL分别与第二控制电路连接；

所述H桥还包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4，所述第一二极管D1和第三二极管D3反向串接在第一场效应管Q1的漏极和第三场效应管Q3的源极之间，所述第二二极管D2和第四二极管D4反向串接在第一场效应管Q2的漏极和第四场效应管Q4的源极之间，所述第一二极管D1与第三二极管D3的连接点作为H桥与电机连接的第一供电端，所述第二二极管D2与第四二极管D4的连接点作为H桥与电机连接的第二供电端；

所述第一供电端与第一场效应管Q1的源极连接，所述第二供电端与第一场效应管Q2的源极连接。

本实施例中，图2所示的第一场效应管Q1、第一场效应管Q2、第三场效应管Q3和第四场效应管Q4构成了基本的H桥结构，其中第一场效应管Q1和第三场效应管Q3位于同一侧，第一场效应管Q2和第四场效应管Q4位于另一侧。

第一场效应管Q1和第三场效应管Q3不能同时导通，否则相当于电源VCC直接接地造成短路，发生烧毁第一场效应管Q1和第三场效应管Q3的危险，因此，本实施例中第一场效应管Q1和第三场效应管Q3同受第一控制电路控制，即第一控制电路分别与第一控制端G1_CTL和第三控制端G3_CTL连接，由于第一场效应管Q1和第三场效应管Q3都位于第一控制电路的同一控制下，因此第一场效应管Q1和第三场效应管Q3的导通或截止是同步的，这样可以尽可能使得第一场效应管Q1和第三场效应管Q3两者当中同时最多只有一个处于导通状态。

第一二极管D1和第三二极管D3反向串接在第一场效应管Q1的漏极和第三场效应管Q3的源极之间，指的将第一二极管D1的正极和第三二极管D3的负极接在一起，然后将第一二极管D1的负极接在第一场效应管Q1的漏极上，将第三二极管D3的正极接在第三场效应管Q3的源极上，同时第一二极管D1与第三二极管D3的连接点作为H桥与电机连接的第一供电端。在这个结构当中，第一二极管D1和第三二极管D3起到钳位的作用，一旦第一控制电路发生故障而导致对第一场效应管Q1和第三场效应管Q3的控制失效，第一场效应管Q1和第三场效应管Q3同时处于导通状态，第一二极管D1和第三二极管D3也可以将第一场效应管Q1的漏极与第三场效应管Q3的源极之间的电压钳制在安全的范围内，避免电压过高和电流过大而烧毁第一场效应管Q1和第三场效应管Q3。

由于H桥具有对称性，因此根据上述原理说明可以了解第一场效应管Q2、第四场效应管Q4、第二二极管D2、第四二极管D4和第二控制电路之间的结构和工作原理，所以不再赘述。

在本实施例H桥中，所使用的场效应管可以是型号为IRF3205S的N沟道MOS管。IRF3205S具有8.0mΩ的超低内阻，VGS＝10V时连续漏极电流为110A，可以满足连续输出200W大功率直流电机驱动场合，配合本实施例所说明的H桥结构，可以实现大功率驱动时发热低、转换效率高的有益效果。

综上，本实施例通过使用第一控制电路来统一控制第一场效应管Q1和第三场效应管Q3、使用第二控制电路来统一控制第一场效应管Q2和第四场效应管Q4，可以使得位于同一侧的两个场效应管之间同时最多只有一个导通，避免被烧毁的危险，而设置的钳位二极管可以避免控制电路失效时发生短路。而且，由于钳位二极管是分立元件，因此其响应时间是纳秒级别的，可以快速响应短路状态，从而保护设备安全。

实施例2

进一步作为优选的实施方式，所述第一控制电路包括第一芯片U1和第一自举电路；

可以使用型号为EG2104的芯片作为第一芯片U1。EG2104是一款高性价比的带使能功能的MOS管、IGBT管栅极驱动专用芯片。EG2104内部集成了逻辑信号输入处理电路、死区时控制电路、电平位移电路、脉冲滤波电路及输出驱动电路。EG2104的第1、2、3脚电源VCC和输入信号可以直接兼容2.8V～20V，满足TTL、COMS电平信号，减少电路设计的复杂性，静态功耗小于1uA，满足低功耗要求。

参照图3，所述第一芯片U1包括使能端MOTOR_EN、控制信号接收端PWM、高端栅极驱动输出端HO、低端栅极驱动输出端LO、高端浮动电源端VB和高端浮动电源返回端VS；所述使能端MOTOR_EN用于接收使能信号，所述控制信号接收端PWM用于接收控制信号，所述高端栅极驱动输出端HO与第一控制端G1_CTL连接，所述低端栅极驱动输出端LO与第三控制端G3_CTL连接，所述高端浮动电源返回端VS与第一场效应管Q1的源极连接；

所述第一自举电路包括第五二极管D5和第一电容C1，所述第一电容C1连接在高端浮动电源端VB和高端浮动电源返回端VS之间，所述第五二极管D5的负极与高端浮动电源端VB连接，所述第五二极管D5的正极连接到电源VCC。

本实施例中，第一自举电路的原理为：第一芯片U1外接第五二极管D5(自举二极管)和第一电容C1(自举电容)自动完成自举升压功能，假定在低端MOS管导通、高端MOS管关断期间自举电容已充到足够的电压(VC＝VCC)，当第一芯片U1的HO输出高电平使得高端MOS管导通、低端MOS管关断时，自举电容上的电压将等效一个电压源作为内部驱动器VB和VS的电源，完成高端MOS管的驱动。

第一自举电路构成了自举悬浮驱动电源结构，这种电源结构大大降低了对供电电源VCC的要求，只用一路电源电压即可实现对图3中第一芯片U1的供电，从而实现对图2中第一场效应管Q1(即H桥中的高端MOS管)和第三场效应管Q3(即H桥中的低端MOS管)两个功率开关器件的驱动，给实际应用带来极大的方便。

进一步作为优选的实施方式，所述第一控制电路还包括第一高端限幅电路和第一低端限幅电路，所述第一高端限幅电路由第一电阻和第六二极管D6并联组成，所述第一低端限幅电路由第二电阻和第七二极管D7并联组成，所述第一高端限幅电路连接在高端栅极驱动输出端HO与第一控制端G1_CTL之间，所述第一低端限幅电路连接在低端栅极驱动输出端LO与第三控制端G3_CTL之间。

参照图3，第一高端限幅电路由第一电阻和第六二极管D6并联组成，其中第六二极管D6的负极与第一芯片U1的高端栅极驱动输出端HO连接，第六二极管D6的正极与第一场效应管Q1的栅极连接。第一高端限幅电路设置在第一芯片U1的高端栅极驱动输出端HO与第一场效应管Q1的栅极之间，可以起到将第一芯片U1输出的驱动信号限制在一定幅度范围内的作用。第二高端限幅电路的结构、连接方式以及工作原理与第一高端限幅电路同理。

使用第一芯片U1尤其是栅极驱动专用芯片EG2104来驱动第一场效应管Q1和第三场效应管Q3可以达到如下有益效果：避免第一场效应管Q1和第三场效应分别导通或者同时导通，而且第一芯片U1上的使能端MOTOR_EN还可以为本发明其他实施例中欠压保护、过压保护、限流保护和过热保护等功能提供硬件条件。第一芯片U1的典型响应时间为125纳秒，与普通单片机微秒级、继电器毫秒级的响应时间相比，第一芯片U1可以降低最少小几十倍延迟，从而在发生短路等故障的情况下电机所受的损坏更小。

由于H桥的对称性，可以参照第一芯片U1的电路结构，设置第二芯片作为第二控制电路，从而驱动第一场效应管Q2和第四场效应管Q4，由于它们的工作原理可以是完全相同的，因此不再赘述。

实施例3

进一步作为优选的实施方式，所述电机驱动电路还包括欠压保护电路，所述欠压保护电路包括第一分压电路、第一非门、第二非门和第三非门，所述第一分压电路用于采集电源VCC对地电压并输入到第一非门的输入端，所述第一非门的输出端通过第二非门与第三非门的输入端连接，所述第三非门的输出端与第一芯片U1的使能端MOTOR_EN连接。

参照图4，可以使用三极管Q5作为第一非门，三极管Q6、电阻R104和电阻R5组成第二非门，三极管Q7、电阻R6和电阻R7组成第三非门，第一非门、第二非门和第三非门依次连接，第三非门的输出端(即三极管Q7的集电极)与第一芯片U1的使能端MOTOR_EN连接。

图4所示电路中，第一分压电路由电阻R3和电阻R4串联组成，由图4所示电路的结构可知VBE(Q5)＝VCC×R3÷(R3+R4)。一般地使用电动势为14.4V的铅酸蓄电池来作为电源VCC进行供电，实践中当铅酸蓄电池的电动势小于12V时就要启动欠压保护。可以根据三极管Q5的参数来确定VBE(Q5)，并设置R3和R4的具体值，使得当VCC<12V时，第一非门饱和导通，因此第三非门的输出端输出低电平，从而使第一芯片U1的使能端MOTOR_EN被设定为低电平，第一芯片U1输出控制信号关断第一场效应管Q1和第三场效应管Q3。在第一场效应管Q1和第三场效应管Q3被关断的情况下，电机两端为电阻状态，H桥不再为电机供电，从而实现欠压保护。

本实施例中的欠压保护电路全部使用分立元件实现，且电路结构简单可靠，与集成电路相比的优点在于能够承受大电流、实现高功率，并且能够实现纳秒级的响应时间，减少电机和设备受到的损害。

实施例4

进一步作为优选的实施方式，所述电机驱动电路还包括过压保护电路，所述过压保护电路包括第二分压电路和第四非门，所述第二分压电路用于采集电源VCC对地电压并输入到第四非门的输入端，所述第四非门的输出端与第一芯片U1的使能端MOTOR_EN连接。

参照图5，由电阻R8和R10组成的第二分压电路采集到电源VCC对地电压，VBE(Q8)＝VCC×R10÷(R8+R10)，实践中当铅酸蓄电池的电动势大于15V时就要启动过压保护，可以设置R8和R10，使得VCC大于15V时三极管Q8饱和导通，第四非门(即三极管Q8的集电极)输出低电平，从而使得第一芯片U1控制关断第一场效应管Q1和第三场效应管Q3，实现过压保护。

本实施例中的过压保护电路全部使用分立元件实现，且电路结构简单可靠，与集成电路相比的优点在于能够承受大电流、实现高功率，并且能够实现纳秒级的响应时间，减少电机和设备受到的损害。

实施例5

进一步作为优选的实施方式，所述电机驱动电路还包括图6所示的限流保护电路，所述限流保护电路包括电流采样电阻、同相比例放大器和第五非门，所述电流采样电阻连接在H桥的接地端COM与地线之间，所述同相比例放大器的输入端与H桥的接地端COM连接，所述同相比例放大器的输出端通过第五非门与第一芯片U1的使能端MOTOR_EN连接。

在本实施例中，图2所示的H桥电路的接地端COM并不直接与地线连接，而是通过电阻R18与地线连接，这样，H桥的电流便全部通过电阻R18流入地线，电阻R18起到电流采样电阻的作用，流过电阻R18的电流使得电阻R18两端形成电压。同相比例放大器由运算放大器与电阻R16和电阻R19组成，同相比例放大器检测电阻R18两端的电流并进行比例放大后输入到由三极管Q9组成的第五非门的输入端。通过设定同相比例放大器的比例系数，可以使得当流经电阻R18的电流超过设定的值时，三极管Q9饱和导通，第五非门(即三极管Q9的集电极)输出低电平，使得第一芯片U1控制关断第一场效应管Q1和第三场效应管Q3，实现限流保护。

优选地电阻R18的阻值为0.01欧姆。

本实施例中的限流保护电路全部使用分立元件实现，且电路结构简单可靠，与集成电路相比的优点在于能够承受大电流、实现高功率，并且能够实现纳秒级的响应时间，减少电机和设备受到的损害。

实施例6

进一步作为优选的实施方式，所述电机驱动电路还包括过热保护电路，所述过热保护电路包括热敏电阻和电压比较器，所述热敏电阻用于测量H桥的温度，所述热敏电阻连接在电压比较器的反相输入端与地线之间，所述电压比较器的同相输入端连接到一比较电压，所述电压比较器的输出端与第一芯片U1的使能端MOTOR_EN连接。

参照图7，使用高精度正温度系数热敏电阻去检测H桥的温度，当H桥的温度上升时，尤其是达到85℃时，热敏电阻的阻值随着温度升高而迅速减小，从而使得电压比较器的反相输入端的电压降低，电压比较器的输出端的电平由高电平切换到低电平，使得第一芯片U1控制关断第一场效应管Q1和第三场效应管Q3，实现限流保护。

参照图8，实施例3-6中的欠压保护电路的输出端undervoltage、过压保护电路的输出端overvoltage、限流保护电路的输出端overcurrent和过热保护电路的输出端overheating可以连接在第一芯片U1的同一使能端MOTOR_EN上。

综上，本发明具有下列有益效果：

H桥设有钳位二极管进行保护，防止场效应管短路时电流过大而烧毁场效应管或电机；

驱动电路的主要元件为分立元件，能够通过大电流、承受大功率、散热效果好、电能转换效率高，尤其适合200W以上的大功率直流电机的连续驱动；

设有简单可靠的欠压、过压、限流和过热保护电路，防止欠压、过压、限流和过热带来的不良影响；

由于整体使用分立电路设计，与集成电路相比具有响应速度快、对电磁波干扰不敏感的优点。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但对本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。