详解直流电机驱动电路设计

直流电机（direct current machine）是指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。它

是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电

动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换

为电能。

直流电机的基本构成

直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。

直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流

励磁绕组的叠片铁心构成。

直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。

其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其

外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。

换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑

料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大

影响。

直流电机的组成结构

直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不

动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是

产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又

称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

01定子

主磁极

主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分

组成铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和

极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，

极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁

绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机

座上。

换向极

换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。

机座

电机定子的外壳称为机座。机座的作用有两个：

•一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用。

•二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。

电刷装置

电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。

02转子

电枢铁心

电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。

铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。

电枢绕组

电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈（以下称元件）按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。

换向器

在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。

转轴

转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。

直流电机驱动电路-设计目标

在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点。

01功能

电机是单向还是双向转动？需不需要调速？

对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管、场效应管等开关元件实现PWM 调速。

02性能

对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。

（1）输出电流和电压范围。它决定着电路能驱动多大功率的电机。

（2）效率。高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通入手。

（3）对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。

（4）对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染;大的电流可能导致地线电位浮动。

（5）可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。

三极管-电阻做栅极驱动

01输入与电平转换

输入信号线由DATA引入，1脚是地线，其余是信号线。注意1脚对地连

接了一个2K欧的电阻。当驱动板与单片机分别供电时，这个电阻可以提供

信号电流回流的通路。当驱动板与单片机共用一组电源时，这个电阻可以防

止大电流沿着连线流入单片机主板的地线造成干扰。或者说，相当于把驱动

板的地线与单片机的地线隔开，实现“一点接地”。

高速运放KF347(也可以用TL084)的作用是比较器，把输入逻辑信号同

来自指示灯和一个二极管的2.7V基准电压比较，转换成接近功率电源电压

幅度的方波信号。KF347的输入电压范围不能接近负电源电压，否则会出错。因此在运放输入端增加了防止电压范围溢出的二极管。输入端的两个电阻一

个用来限流，一个用来在输入悬空时把输入端拉到低电平。

不能用LM339或其他任何开路输出的比较器代替运放，因为开路输出的

高电平状态输出阻抗在1千欧以上，压降较大，后面一级的三极管将无法截止。

02栅极驱动

后面三极管和电阻，稳压管组成的电路进一步放大信号，驱动场效应管

的栅极并利用场效应管本身的栅极电容(大约1000pF)进行延时，防止H桥上

下两臂的场效应管同时导通(共态导通)造成电源短路。

当运放输出端为低电平时，下面的三极管截止，场效应管导通；上面的

三极管导通，场效应管截止，输出为高电平。当运放输出端为高电平时，下

面的三极管导通，场效应管截止；上面的三极管截止，场效应管导通，输出

为低电平。

上面的分析是静态的，下面讨论开关转换的动态过程：三极管导通电阻

远小于2kΩ，因此三极管由截止转换到导通时场效应管栅极电容上的电荷可

以迅速释放，场效应管迅速截止。但是三极管由导通转换到截止时场效应管