一种低压直流电机驱动电路的制作方法

1.本发明涉及电机驱动领域，尤其涉及一种低压直流电机驱动电路。


背景技术：

2.直流有刷电机发展至今已非常成熟，应用场合也非常广泛。电机的控制和驱动技术也相对成熟，但是应用于特殊场合时，并非容易实现。
3.参考图1，现有技术一般均采用两种不同的mos管或三极管(比如p型mos管和n型mos管配对使用)构成h桥电路来驱动电机，电机正转时，q1、q4、q5同时导通，电流从q1流向电机正极，然后经过电机负极流向q4到地。反转时，q2、q3、q6导通，电流从q2流向电机负极，然后经电机正极，再经q3流向地。单片机io输出的是高电平有效信号。该h桥电路输出电流大，但是该h桥电路会存在同桥臂导通现象，无法满足正常工作和输入状态不稳定时无互锁功能。实际应用过程中为了防止同桥臂的上下管同时导通，一般通过软件实现,但是在上电或者mcu出现故障等情况导致mcu不能正常工作的情况下,如果出现晶振坏掉或者虚焊等原因不能保证正常时序的时候,mcu还是有可能向同桥臂的上下管的管脚同时输出高电平，造成h桥电路中的mos管q1至q4均为导通状态，如此会导致上、下桥臂同时导通，从而导致直接短路而烧毁。所以，目前的互锁功能的实现并不完全可靠，特别是上电时可能出现炸机现象。如果增加非门集成ic等逻辑门电路，势必增加产品成本和电路的复杂度。不利产品的小型化。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种低压直流电机驱动电路。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种低压直流电机驱动电路，包括两个驱动桥臂，所述两个驱动桥臂的输出分别连接所述电机的两端，每一所述驱动桥臂包括与电源正极连接的上桥臂开关管和与电源负极连接的下桥臂开关管，所述下桥臂开关管导通时其控制端须接收第一电平，且所述下桥臂开关管在其控制端接收到第二电平时关断，所述低压直流电机驱动电路还包括与所述两个驱动桥臂一一对应的两个桥臂互锁电路，每一所述桥臂互锁电路包括前级开关管和第一电阻；
6.两个所述前级开关管的输入端分别连接对应的所述上桥臂开关管的控制端，两个所述前级开关管的输出端分别经由各自对应的第一电阻与各自对应的下桥臂开关管的控制端共接以接收各自对应的下桥臂开关驱动信号，两个所述前级开关管的控制端连接在一起以接收同一个上桥臂开关驱动信号，所述前级开关管仅在接收到的上桥臂开关驱动信号为第一电平、下桥臂开关驱动信号为第二电平时导通以触发上桥臂开关管导通，所述下桥臂开关管在接收到的所述下桥臂开关驱动信号为第二电平时关断，且所述下桥臂开关管在导通时其所接收到的所述下桥臂开关驱动信号为第一电平。
7.优选地，所述上桥臂开关管为pmos管，所述pmos管的控制端和漏极之间连接第二
电阻，所述下桥臂开关管为nmos管，所述前级开关管为npn型三极管。
8.优选地，所述电机的工作模式包括正转模式、反转模式、紧急刹车模式、待机模式、停机模式；
9.当所述上桥臂开关驱动信号为高电平，与电机正极连接的驱动桥臂中的下桥臂开关驱动信号为低电平，与电机负极连接的驱动桥臂中的下桥臂开关驱动信号为高电平时，所述电机处于正转模式；
10.当所述上桥臂开关驱动信号为高电平，与电机正极连接的驱动桥臂中的下桥臂开关驱动信号为高电平，与电机负极连接的驱动桥臂中的下桥臂开关驱动信号为低电平时，所述电机处于反转模式；
11.当所述上桥臂开关驱动信号为高电平或者低电平，两个驱动桥臂的下桥臂开关驱动信号均为高电平时，所述电机处于紧急刹车模式；
12.当所述上桥臂开关驱动信号以及两个驱动桥臂的下桥臂开关驱动信号均为低电平时，所述电机处于待机模式；
13.其他情形下，所述电机处于停机模式。
14.另一方面还构造了一种低压直流电机驱动电路，包括控制器和两个驱动桥臂，所述两个驱动桥臂的输出分别连接所述电机的两端，每一所述驱动桥臂包括与电源正极连接的上桥臂开关管和与电源负极连接的下桥臂开关管，所述低压直流电机驱动电路还包括与所述两个驱动桥臂一一对应的两个桥臂互锁电路，每一所述桥臂互锁电路包括前级开关管和第一电阻；
15.所述控制器包括用于输出一个上桥臂开关驱动信号、两个下桥臂开关驱动信号的三个io口，两个所述前级开关管的输入端分别连接对应的所述上桥臂开关管的控制端，两个所述前级开关管的输出端分别经由各自对应的第一电阻与各自对应的下桥臂开关管的控制端共接以接收各自对应的下桥臂开关驱动信号，两个所述前级开关管的控制端连接在一起以接收同一个上桥臂开关驱动信号，所述前级开关管仅在接收到的上桥臂开关驱动信号为第一电平、下桥臂开关驱动信号为第二电平时导通以触发上桥臂开关管导通，所述下桥臂开关管在接收到的所述下桥臂开关驱动信号为第二电平时关断，且所述下桥臂开关管在导通时其所接收到的所述下桥臂开关驱动信号为第一电平。
16.优选地，所述上桥臂开关管为pmos管，所述pmos管的控制端和漏极之间连接第二电阻，所述下桥臂开关管为nmos管，所述前级开关管为npn型三极管。
17.优选地，所述电机的工作模式包括正转模式、反转模式、紧急刹车模式、待机模式、停机模式；
18.当所述上桥臂开关驱动信号为高电平，与电机正极连接的驱动桥臂中的下桥臂开关驱动信号为低电平，与电机负极连接的驱动桥臂中的下桥臂开关驱动信号为高电平时，所述电机处于正转模式；
19.当所述上桥臂开关驱动信号为高电平，与电机正极连接的驱动桥臂中的下桥臂开关驱动信号为高电平，与电机负极连接的驱动桥臂中的下桥臂开关驱动信号为低电平时，所述电机处于反转模式；
20.当所述上桥臂开关驱动信号为高电平或者低电平，两个驱动桥臂的下桥臂开关驱动信号均为高电平时，所述电机处于紧急刹车模式；
21.当所述上桥臂开关驱动信号以及两个驱动桥臂的下桥臂开关驱动信号均为低电平时，所述电机处于待机模式；
22.其他情形下，所述电机处于停机模式。
23.优选地，在所述正转模式或者反转模式下，所述控制器在调速时控制所述pmos管始终处于导通状态，并利用控制电机转动速度的pwm信号对所述nmos管进行调速控制。
24.本发明的低压直流电机驱动电路，具有以下有益效果：本发明的低压直流电机驱动电路包括两个驱动桥臂和与之对应的两个桥臂互锁电路，由于增加了桥臂互锁电路，桥臂互锁电路直接受控于桥臂驱动信号的电平，从硬件结构上避免了上、下桥臂开关管同时导通的短路现象，不需要增加额外的非门集成ic等逻辑门电路，只需多使用控制器的一个io口,即可在硬件结构上避免上、下桥臂开关管同时导通的短路现象,也避免了由于干扰、软件编程不完善等原因引起的同组端口同时输出高电平,从而引起桥式驱动电路烧坏的故障。总而言之，本发明硬件器件少，成本低，稳定可靠、驱动功耗低，寿命长，开关速度快，可确保在正常工作时、输入信号状态不稳定时，h桥电路具备互锁功能，防止同桥臂导通。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
26.图1是现有低压直流电机驱动电路的电路图；
27.图2是本发明低压直流电机驱动电路的结构示意图；
28.图3是本发明低压直流电机驱动电路的一个较佳实施例的电路图；
29.图4是电机的四种工作模式示意图。
具体实施方式
30.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
31.需要说明的是，本文所述的“相连”或“连接”，不仅仅包括将两个实体直接相连，也包括通过具有有益改善效果的其他实体间接相连。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
32.本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。
33.参考图2，本发明的低压直流电机驱动电路，实际上也是一种互补驱动电路，其包括两个驱动桥臂2a和2b，以及与所述两个驱动桥臂2a和2b一一对应的两个桥臂互锁电路1a和1b。所述两个驱动桥臂2a和2b的输出分别连接电机的两端，每一所述驱动桥臂2a、2b包括与电源正极(vcc)连接的上桥臂开关管和与电源负极(gnd)连接的下桥臂开关管。具体来说，参考图3，驱动桥臂2a包括上桥臂开关管u3a和与电源负极连接的下桥臂开关管u4a，驱动桥臂2b包括上桥臂开关管u3b和与电源负极连接的下桥臂开关管u4b。
34.参考图3，本发明的低压直流电机驱动电路还可以包括控制器u1，所述控制器u1(具体为mcu)包括用于输出一个上桥臂开关驱动信号in1、两个下桥臂开关驱动信号in2、in3的三个io口。驱动信号in1、in2、in3均为pwm信号。另外，图3中，m表示电机，电机的正负端还分别连接有电压检测电路3a、3b，电压检测电路3a、3b的电压信号发往mcu检测，输入检测的mcu管脚可以优化地采用已经自带a/d转换功能的管脚。
35.每一所述桥臂互锁电路1a、1b均包括前级开关管和第一电阻，如图3中，桥臂互锁电路1a包括前级开关管u2a和第一电阻r12，桥臂互锁电路1b包括前级开关管u2b和第一电阻r14。
36.在开关选型上，所述前级开关管u2a/u2b仅在接收到的上桥臂开关驱动信号in1为第一电平、下桥臂开关驱动信号in2/in3为第二电平时导通以触发上桥臂开关管u3a/u3b导通，所述下桥臂开关管u4a/u4b在所述下桥臂开关驱动信号in2/in3为第二电平时关断且所述下桥臂开关管u4a/u4b在导通时所述下桥臂开关驱动信号in2/in3为第一电平。第一电平应该选择控制器上电时的电平，如此才能实现上电等情形下的自锁保护，本实施例中，第一电平为高电平，第二电平为低电平。为此，本实施例中，所述下桥臂开关管u4a、u4b为nmos管，所述前级开关管u2a、u2b为npn型三极管。所述上桥臂开关管u3a、u3b为pmos管，上桥臂开关管u3a的控制端(栅极)和漏极之间连接第二电阻r11，上桥臂开关管u3b的控制端(栅极)和漏极之间连接第二电阻r13。
37.继续参考图3，两个所述前级开关管u2a、u2b的输入端(集电极)分别连接对应的所述上桥臂开关管u3a、u3b的控制端(栅极)，两个所述前级开关管u2a、u2b的输出端(发射极)分别经由各自的第一电阻r12、r14与各自对应的下桥臂开关管u4a、u4b的控制端(栅极)共接以接收各自对应的下桥臂开关驱动信号in2、in3，两个所述前级开关管u2a、u2b的控制端(基极)连接在一起以接收同一个上桥臂开关驱动信号in1。
38.下面对本实施例的工作原理进行说明。
39.结合图3、4，图4中on、off分别表示开关管的状态为导通、关断。当三个驱动信号in1、in2、in3的电平分别如下取值时，对应的电机的状态如下表1。h代表高电平，l代表低电平。
40.表1 u1的三个io口的逻辑真值状态图
41.in1in2in3电机的工作模式hhh紧急刹车hlh正转hhl反转hll停止lhh紧急刹车
llh停止lhl停止lll待机
42.1)由于在该电路中u2a通过一个电阻r12和u4a的栅极连接在一起，共同构成互锁电路。in1为高电平时，u2a的集电极和发射极并不能导通，必须让in2同时输出低电平，才能共同将u2a的集电极和发射极导通。然后通过u2a及r11和r12构成分压作用，让u3a的栅极电压小于源极电压，从而保证u3a的源极和漏极导通，让vcc通过u3a流向电机的正极，同时由于in2为低电平时u4a的源极和漏极处在断开状态。故无论是从软件上和从硬件上都无法让u3a、u4a两个mos管具备同时导通的可能。因此，综合整个电路来说，只有在in1为高电平、in2为低电平、in3为高电平时，才能将vcc通过u4a源极和漏极导通后经过电机的正极，然后由电机的负极再经过u4b流向地，如图4的子图b)中虚线箭头所示，由此构成该电机正转的完整回路。
43.同理，电路的另一个桥臂即u2b通过r14和u4b的栅极连接在一起，共同构成互锁电路。in1为高电平时，u2b的集电极和发射极并不能导通，必须让in3同时输出低电平，才能共同将u2b的集电极和发射极导通。然后通过u2b及r13和r14构成分压作用，让u3b的栅极电压小于源极电压，从而保证u3b的源极和漏极导通，让vcc通过u3b流向电机的负极，同时由于in3为低电平时u4b的源极和漏极处在断开状态。故无论是从软件上和从硬件上都无法让u3b、u4b两个mos管具备同时导通的可能。因此，综合整个电路来说，只有在in1为高电平、in3为低电平、in2为高电平时，才能将vcc通过u4b源极和漏极导通后经过电机的负极，然后由电机的证据再经过u4a流向地，如图4的子图c)中虚线箭头所示，由此构成该电机反转的完整回路。
44.如此，就算控制器u1(比如mcu)出现异常状态，如软件里面没有上电或者mcu出现故障等情况导致mcu不能正常工作的情况下,如果出现晶振坏掉或者虚焊等原因不能保证正常时序的时候,mcu有可能将in1、in2、in3三个io脚同时输出高电平或低电平时，均无法将桥臂都导通，均无法构成完整导通回路，电机均处在停止状态。因此本发明的电路不需要增加额外的非门集成ic等逻辑门电路。只需多使用mcu控制芯片的一个io口,即可在电路上保证了硬件结构上就避免了上下管同时导通的短路现象,避免了由于干扰、软件编程不完善等原因引起的三个io口同时输出高电平,从而引起电机驱动电路烧坏的故障。
45.2)in1、in2、in3同时输高电平。由于u2a和u2b的基极和发射极均为高电平，故u2a和u2b的集电极和发射极之间处在截止状态，同时导致u3a和u3b的栅极和源极电压相等，故u3a和u3b的源极与漏极为开路(断开)状态，因此vcc无法经过u3a和u3b流向电机。而u4a和u4b由于栅极均为高电平，故u4a和u4b的源极和漏极处于导通状态。可将电机原来的残留电压快速对地进行释放。此种状态可用作于紧急刹车的状态。
46.3)in1、in2、in3同时输低电平，由于桥臂所有mos管和三极管均处在开路状态。因此可作为待机状态。
47.4)in1是低电平，而n2、in3同时是低电平时，由于u2a和u2b的基极为低电平，故u2a和u2b的集电极和发射极之间处在截止状态，同时导致u3a和u3b的栅极和源极电压相等，故u3a和u3b的源极与漏极为开路状态，因此vcc无法经达u3a和u3b流向电机。而u4a和u4b由于栅极均的高电平，故u4a和u4b的源极和漏极处于导通状态。也可将电机原来的残留电压快
速对地进行释放。可用作于紧急刹车的状态。
48.5)in1是高电平，而n2、in3同时是低电平时，由于u2a和u2b三极管的基极均为高电平，且u2a和u2b三极管的发射极均为低电平。因此u3a和u3b的源极与漏极为通路状态，但是由于u4a和u4b由于栅极均的低电平，导致u4a和u4b均处在断开状态，因此电机两端均为vcc，形成等电位，无法对地构成回路，电机也处在停止状态。
49.优选地，在电机正反转需要调速时，pmos管由于本身制造特性导致pmos管的导通电阻更大，开关速度更慢。因此本发明中控制器在调速时控制上桥臂的pmos管始终处于导通状态，让控制电机的转动速度的pwm信号(即调速占空比信号)对下桥臂的nmos管进行更为精确的调速控制。
50.需要说明的是，本实施例的多个开关可以选择多个单独的开关器件，也可以选用集成了多个开关的芯片，比如说u3a、u3b是一种复合管，是同一个芯片中集成的两个mos管。另外，本实施例的电路可以集成一整个芯片，只把电源负极和电源正极、电机两端分别引出相应管脚出来即可。
51.综上所述，本发明的低压直流电机驱动电路，具有以下有益效果：本发明的低压直流电机驱动电路包括两个驱动桥臂和与之对应的两个桥臂互锁电路，由于增加了桥臂互锁电路，桥臂互锁电路直接受控于桥臂驱动信号的电平，从硬件结构上避免了上、下桥臂开关管同时导通的短路现象，不需要增加额外的非门集成ic等逻辑门电路，只需多使用控制器的一个io口,即可在硬件结构上避免上、下桥臂开关管同时导通的短路现象,也避免了由于干扰、软件编程不完善等原因引起的同组端口同时输出高电平,从而引起桥式驱动电路烧坏的故障。总而言之，本发明硬件器件少，成本低，稳定可靠、驱动功耗低，寿命长，开关速度快，可确保在正常工作时、输入信号状态不稳定时，h桥电路具备互锁功能，防止同桥臂导通。
52.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。