帶電流限制的直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路方案

在工業(yè)自動(dòng)化和消費(fèi)電子領(lǐng)域，直流有刷電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉且易于控制而廣泛應(yīng)用。然而，直接通過單片機(jī)或控制器驅(qū)動(dòng)大功率直流有刷電機(jī)時(shí)，往往會(huì)遇到電流控制難題，這要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)加入電流限制功能，以確保電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定且安全。本文將詳細(xì)探討一種帶電流限制的直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路方案。

一、引言

直流有刷電機(jī)通過電刷與換向器接觸，實(shí)現(xiàn)電流方向的周期性改變，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)啟動(dòng)瞬間或負(fù)載變化時(shí)，電流可能會(huì)急劇上升，這不僅可能導(dǎo)致電機(jī)損壞，還可能影響整個(gè)電路的穩(wěn)定性。因此，設(shè)計(jì)帶電流限制的驅(qū)動(dòng)電路顯得尤為重要。

二、電路方案設(shè)計(jì)

1. 主控芯片與驅(qū)動(dòng)模塊選擇

為實(shí)現(xiàn)精確的電流控制，本方案選用了一款集成了PWM（脈寬調(diào)制）功能的微控制器作為主控芯片，如STM32系列單片機(jī)。同時(shí)，采用L298N驅(qū)動(dòng)模塊作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)核心，該模塊內(nèi)部集成了兩個(gè)H橋電路，能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，并具備電流保護(hù)功能。

2. 電流限制原理

電流限制主要通過在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中串聯(lián)一個(gè)電流檢測(cè)電阻（也稱分流電阻）來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電機(jī)電流增大時(shí)，電流檢測(cè)電阻上的電壓也會(huì)相應(yīng)增加。通過監(jiān)測(cè)這個(gè)電壓值，可以間接得到電機(jī)的實(shí)時(shí)電流。當(dāng)電流超過設(shè)定閾值時(shí)，通過調(diào)整PWM信號(hào)的占空比來降低電機(jī)的平均電壓，從而實(shí)現(xiàn)電流限制。

3. 電路設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

電流檢測(cè)電路：在電機(jī)供電線上串聯(lián)一個(gè)高精度、低阻值的電流檢測(cè)電阻，并通過一個(gè)運(yùn)算放大器將電阻上的電壓信號(hào)放大至適合微控制器ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）輸入的范圍。

PWM控制：微控制器根據(jù)電流檢測(cè)電路的輸出信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整PWM信號(hào)的占空比。當(dāng)檢測(cè)到電流過大時(shí)，減少占空比以降低電機(jī)平均電壓，從而限制電流。

保護(hù)電路：為防止電機(jī)因堵轉(zhuǎn)、過載等原因?qū)е聯(lián)p壞，還需在電路中增加過熱保護(hù)和短路保護(hù)等安全機(jī)制。

4. H橋驅(qū)動(dòng)電路

L298N模塊內(nèi)部的H橋電路由四個(gè)MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）組成，通過控制這四個(gè)MOSFET的通斷，可以靈活控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度。當(dāng)需要改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，只需切換相應(yīng)MOSFET的導(dǎo)通狀態(tài)即可。同時(shí)，H橋電路還具備反向電動(dòng)勢(shì)（BEMF）保護(hù)功能，防止電機(jī)在突然斷電時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)損壞驅(qū)動(dòng)電路。

三、軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括PWM信號(hào)的產(chǎn)生、電流檢測(cè)與處理和保護(hù)機(jī)制的觸發(fā)。在STM32單片機(jī)中，可以使用定時(shí)器生成PWM信號(hào)，并通過ADC讀取電流檢測(cè)電阻上的電壓值。根據(jù)讀取的電壓值計(jì)算實(shí)際電流，并與設(shè)定閾值進(jìn)行比較。若電流超過閾值，則調(diào)整PWM信號(hào)的占空比以實(shí)現(xiàn)電流限制。同時(shí)，還需編寫相應(yīng)的中斷服務(wù)程序來處理過熱和短路等異常情況。

四、實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)階段，我們搭建了基于STM32和L298N的直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原型機(jī)，并進(jìn)行了多次測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)電路能夠準(zhǔn)確檢測(cè)電機(jī)電流，并在電流超過設(shè)定閾值時(shí)有效限制電流，確保電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，該電路還具備良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和保護(hù)機(jī)制，能夠應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜工況。

五、結(jié)論

本文提出了一種帶電流限制的直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路方案，通過結(jié)合電流檢測(cè)電阻、PWM控制技術(shù)和H橋驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)電流的精確控制。該方案不僅提高了電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，還降低了系統(tǒng)成本和維護(hù)難度。隨著工業(yè)自動(dòng)化和消費(fèi)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，該方案有望在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和推廣。