0  引言

　　直流電動(dòng)機(jī)是早發(fā)明能將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備，它可追溯到法拉第所發(fā)明的碟型電動(dòng)機(jī)。到了1880年已成為主要的電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置，但之后由于交流電的使用日趨普及，而發(fā)明了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與同步電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)的重要性亦隨之降低。直到約1960年，由于SCR的發(fā)明，磁鐵材料、碳刷、絕緣材料的改良，以及變速控制的需求日益增加，再加上工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)再次得到了發(fā)展的契機(jī)，到了1980年直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為自動(dòng)化工業(yè)與精密加工的關(guān)鍵技術(shù)。

　　直流電動(dòng)機(jī)可分為特種電機(jī)、電磁式電動(dòng)機(jī)和永磁式電動(dòng)機(jī)。特種電機(jī)一般無繞組，驅(qū)動(dòng)較為復(fù)雜，作為電機(jī)的一種已自成體系。電磁式電動(dòng)機(jī)因勵(lì)磁方式不同，其特性也各有千秋。永磁式電動(dòng)機(jī)性能與電磁式并勵(lì)電動(dòng)機(jī)相近，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，機(jī)械特性硬，負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速變化不大，適用于小功率直流驅(qū)動(dòng)，如電動(dòng)玩具、電動(dòng)工具、音響設(shè)備、汽車電器等。本文主要討論此類功率不大、電壓不高、體積較小的微型直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

　　這種電動(dòng)機(jī)只有兩根引線，調(diào)節(jié)供電電壓或電流可調(diào)速，更換兩根引線的極性，電動(dòng)機(jī)換向。其驅(qū)動(dòng)電路受單片機(jī)控制，一般要求能進(jìn)行正反轉(zhuǎn)和調(diào)速驅(qū)動(dòng)，而且體積不宜太大。無論是分立元件的還是集成電路的各種驅(qū)動(dòng)電路資料很多，但筆者在主持湖北省教育廳“中夏教育機(jī)器人研究開發(fā)”科研項(xiàng)目和本?！叭珖?guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽”賽前培訓(xùn)時(shí)，經(jīng)過大量的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可操作性強(qiáng)的方案并不多見。

　　以下所述電路用于3V供電的微型直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，這種電機(jī)有兩根引線，更換兩根引線的極性，電機(jī)換向。該驅(qū)動(dòng)電路要求能進(jìn)行正反轉(zhuǎn)和停止控制。

1  電路一

　　如下圖所示，些電路是作者初設(shè)計(jì)的電路，P1.3、P2.2和P2.4分別是51單片機(jī)的IO引腳。設(shè)計(jì)的工作原理是：當(dāng)P1.3高電平、P2.2和P2.4都為低電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)。此時(shí)，Q1和Q4導(dǎo)通，Q2和Q3截止，電流注向?yàn)椋?VàR1àQ1àMàQ4；當(dāng)P1.3低電平、P2.2和P2.4都為高電平時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。此時(shí)，Q2和Q3導(dǎo)通，Q1和Q4截止。P2.2為高電平同時(shí)P2.4為低電平時(shí)，電路全不通，電機(jī)停止。

　　圖中電阻：R1＝20Ω，R2＝R3＝R4＝510Ω

　　但實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況去出人意料，即電機(jī)正向和反向都不轉(zhuǎn)。經(jīng)測(cè)量，當(dāng)P1.3高電平，P2.2和P2.4都為低電平時(shí)，Q4導(dǎo)通，但Q1不導(dǎo)通，P1.3的電平只有0.67V左右，這樣Q1無法導(dǎo)通。

　　經(jīng)分析原因如下：51的P1、P2、P3各引腳都是內(nèi)部經(jīng)電阻上拉，對(duì)地接MOSFET管，所謂高電平，是MOSFET截止，引腳上拉電阻拉為高電平。若此內(nèi)部上拉電阻很大，比如20K，則當(dāng)上圖電路接上后，則流過Q1的b極的電流為（5-0.7）/20mA=0.22mA，難以動(dòng)Q1導(dǎo)通。所以此電路不通。

　　總結(jié)：51單片機(jī)的引腳上拉能力弱，不足以驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通。

2  電路二

　　如下圖所示：這個(gè)電路中四個(gè)三極管都采用PNP型，這樣，導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)是控制引腳輸出低電平，而51的低電平時(shí)，是通過MOSFET接地，所以下拉能力極強(qiáng)。

　　但此電路的Q1和Q3需要分別控制，所需控制引腳較多。如果要用一個(gè)IO腳控制則可以加一個(gè)反相器。但此電路的Q1和Q3需要分別控制，所需控制引腳較多。如果要用一個(gè)IO腳控制則可以加一個(gè)反相器。如圖3所示。圖中標(biāo)有各點(diǎn)實(shí)測(cè)電壓值。

      　　　
3  電路三

　　在電路二中，由于Q2和Q4的發(fā)射極高出基極一個(gè)0.7V，而基極為0V，實(shí)際由于CPU引腳內(nèi)部有MOSFET管壓降，所以Q2和Q4的發(fā)射極不會(huì)低于1V，這樣使M兩端的有效電壓范圍減小。

　　要解決這一問題，則Q2和Q4需換成NPN管。但NPN管的驅(qū)動(dòng)如電路一所示，只靠CPU引腳的上拉是不行了，所以需要另加上拉電阻，如下圖所示。

　　上圖中，與電路一不同的是兩只NPN管移到了下方，PNP在上方，這樣，Q1和Q3的集電極的電位可達(dá)到一個(gè)管壓降（0.3V）。這樣增加了M的壓降范圍。

　　但為了保證對(duì)NPN管的足夠的驅(qū)動(dòng)，P1.3和P2.2必須加上拉電阻，如圖所示。圖中，R2、R5、R6都不可少。所以這種電路的元件用量比較大。

　　還有，R5應(yīng)該比R6大幾倍，比如10倍，這樣，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，P1.3處的電壓可以分得較大，不致于使Q2導(dǎo)通。如果R5太小或?yàn)?，則當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，由于P1.3處的壓降只有0.7V左右，將使Q2也導(dǎo)通。

　　經(jīng)過試驗(yàn)，R2、R6、R3、R4可取510Ω，R5取5.1kΩ。這種值下各處的電壓如下（R1為20歐）：

　　U1：4.04　U2：2.99　U3：3.87　U4：4.00　U5：0.06　U7：0.79

4  電路四

　　這個(gè)電路由電路一改造而來，如下圖5，圖中標(biāo)有各點(diǎn)實(shí)測(cè)電壓值：

　　此圖中基極的限流電阻都去掉了，因?yàn)樽髡咴O(shè)計(jì)的電路對(duì)元件要求要少。從電路上分析，不要沒什么關(guān)系，有R1起著總的限流作用，而且引腳內(nèi)部有上拉電阻，這樣保證電路不會(huì)通過太大的電流。

　　這個(gè)電路可以使電機(jī)運(yùn)行。

　　但在R2的選擇上，比較講究，因?yàn)镽2的上拉作用不但對(duì)Q1有影響，而且對(duì)Q2的導(dǎo)通也有影響。如果R2選的過小，則雖然對(duì)Q1的導(dǎo)通有利，但對(duì)Q2的導(dǎo)通卻起到抵制作用，因?yàn)镽2越小，上拉作用越強(qiáng)，Q2的導(dǎo)通是要P1.3電位越低越好，所以這是矛盾的。也就是說，Q1的導(dǎo)通條件和Q2的導(dǎo)通條件是矛盾的。

　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)，R2取5.1k歐比較合適。由此可見，這個(gè)電路雖然很省元件和CPU引腳，但驅(qū)動(dòng)能力有個(gè)限，即Q1和Q2的驅(qū)動(dòng)相互制約下，只能取個(gè)二者都差不多的折中方案。否則如果一個(gè)放大倍數(shù)大，則另一個(gè)則會(huì)變小。

　　總結(jié)：以上電路各有利蔽，要視應(yīng)用場(chǎng)而選用。