各类直流电机与人们的现代生活息息相关，然而电机功率驱动却一直面临着各式各样的挑战，涉及到高效率、高负载功率以及低成本等各个方面。本文介绍一款微型家用玩具类电机的低成本驱动解决方案。为降低成本，作者采用了模拟分立元器件，提供了一种另类的低成本设计思路。
一客户问我能否为微型(玩具/业余爱好型)直流电机开发一种低成本功率驱动器，将其用于基于微控制器开发的小型电子玩具项目。我接受了挑战，并且为了实现所期望的低成本，设计开发采用的是“模拟” 方式，而非如今流行的“预接线数字电机驱动模块”解决方案。
该设计中，将利用一些常见的分立电子元器件，来实现该电机驱动设计。一开始，电路看起来可能有点复杂，但实际上却是直接简明的。所用的具体电路如图1所示。
图1：“模拟”电机驱动器原理示意图。
当要控制的功率负载比微控制器所能管理的功率更高时，作为最简单的方法，就是利用NPN晶体管作为功率驱动器。有时，当负载需要的驱动电流/电压比微控制器所能处理的高得多时，设计中需要的驱动晶体管还不止一只。可以利用常规NPN晶体管来控制PNP功率晶体管，将支持以更高的电流(和电压)来驱动接地负载。其实，这个设计思路非常简单，如果应用允许的话，这不失为一个好方法。
图2所示为通用3VDC玩具电机的外形图及简要技术规格。
图2：通用3VDC微型玩具电机的简要技术规格。
尽管这是一个非常小的电机，但它的整体电流消耗(尤其是在失速时)却相当高。此外，直流电机启动时，也需要很大电流，从而给电机驱动器带来较大负荷。可令人遗憾的是，这么严重的问题，却往往被大多数年轻工程师所忽视！
也就是说，人们可能认为，电机驱动器只要能够驱动额定的连续电流即可。但在实践中，电机驱动电路必须能够处理保证电机继续旋转的失速电流(电机停止时在额定电压下通过电机的电流)，或者，它必须提供电流限制，能够实现电机的软启动。此外，对于电池供电的系统而言，通常当电机启动时，能够对电流进行调控也是非常有益的，尽管该高电流拖尾持续时间并不长。
该客户并非选用普通型的玩具电机，而非常钟情于香水/皂液喷射器型电机，并在玩具设计中经常采用。图3给出了某种香水/皂液喷射器型电机的规格，这与客户经常采用的电机规格几乎相同。
图3：香水/皂液喷射器型电机规格。
基于图3所示的这些主要电机规格，再依据图1所示的电路图，采用以下元器件完成了该微型电机功率驱动器的设计，并进行了成功试运行。电路中，具体元器件选值如下：
R1：1KΩ /0.25W
R2：220Ω/0.25W
R3：0.5Ω/1W
R4：1KΩ/0.25W
C1：10uF/50V
C2：100nF/50V
T1：BC547B
T2：BD140
LED1：3mm Red/5mA
Motor：3～5V 香水/皂液喷射器型直流电机
BC547B数据手册：详见https://www.mouser.com/datasheet/2/149/BC547-190204.pdf
BD140数据手册：详见https://www.mouser.com/datasheet/2/149/BD140-888626.pdf
图4：玩具电机驱动电路面包板。
若电源电压为5V Vcc，当把3.3V或5V驱动信号(dc)加到“dc/pwm”输入端(IN)时，所示配置可提供800mA左右的电机驱动电流，而当电源电压为3V Vcc，则可提供约500mA的电机驱动器电流。标有M+和M-的电路端子是直流电机连接端，MA和MB则是“电流感应”端。
而且，面包板模型与手边随机挑选的香水/皂液喷射器型电机配合得很好，然后将测得的电机电压/电流数据汇总如下：
VRUN：3.0VDC
IRUN：约40mA(空载)
ISTALL：约400mA
图5：标准原型电路板示意图。
在标准的原型板上构建该电路非常容易，最好将带有适当散热器的功率晶体管放置在离其他小元件相对较远的位置，不过对当前电路配置来说并不重要。
再回到驱动晶体管选型。请注意，在该设计中，选用的是Sziklai对管(https://en.wikipedia.org/wiki/Sziklai_pair)，而非经典的达林顿对管(方便起见，并没有太多的理由)。
请注意，这里，电容器C1和C2用于对输入电压(Vcc)和来自外部脉宽调制器(如果采用的话)的驱动信号输出(IN端)进行滤波，而驱动信号输入则比较自由，可以是想要的任何信号类型。限于篇幅，本文不讨论电容器选择的数学问题，而与此问题相关的详细讨论，感兴趣的工程师可以参见另一篇很有价值的文章(https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_2.htm)。
这里需要注意的另一个关键点是，利用了一只0.5Ω绕线电阻器(R3)来监测电机电流(通过该电阻器将测量的电流量化为与电机电流成比例的电压)。不过，如果不需要电流传感功能，则可以用0Ω电阻器来替代。最终性能几乎没有什么差异。
图6所示为典型的高侧电流传感电路示意图。由于分流电阻器位于总线电压和系统负载之间，从而产生一个与负载电流对应的差分电压，随后对该差分电压进行放大，得到单端输出电压。
图6：典型的高侧电流传感示意图。
最后一点是，无论何时，只要电机旋转，它都会在其端子上产生一个反电动势，该反电动势与电机的速度成比例(实际上只在一定的时间内成比例，之后就会饱和)。因此，通过添加一只与电机串联的电阻器，并读取电阻器两端的电压，就能计算出电路中的电流。另外，在得知电机的内阻后，就有可能间接计算电机的反电动势。
(参考原文：electroschematics.com/hobby-motor）
本文为《电子工程专辑》2023年12月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅
您可能感兴趣
