在工業(yè)自動化和消費(fèi)電子領(lǐng)域，直流有刷電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、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)動大功率直流有刷電機(jī)時，往往會遇到電流控制難題，這要求我們在設(shè)計驅(qū)動電路時加入電流限制功能，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)動電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)啟動瞬間或負(fù)載變化時，電流可能會急劇上升，這不僅可能導(dǎo)致電機(jī)損壞，還可能影響整個電路的穩(wěn)定性。因此，設(shè)計帶電流限制的驅(qū)動電路顯得尤為重要。

二、電路方案設(shè)計

1. 主控芯片與驅(qū)動模塊選擇

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，采用L298N驅(qū)動模塊作為電機(jī)驅(qū)動核心，該模塊內(nèi)部集成了兩個H橋電路，能夠驅(qū)動兩個直流電機(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)動電路中串聯(lián)一個電流檢測電阻（也稱分流電阻）來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電機(jī)電流增大時，電流檢測電阻上的電壓也會相應(yīng)增加。通過監(jiān)測這個電壓值，可以間接得到電機(jī)的實(shí)時電流。當(dāng)電流超過設(shè)定閾值時，通過調(diào)整PWM信號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)計細(xì)節(jié)

電流檢測電路：在電機(jī)供電線上串聯(lián)一個高精度、低阻值的電流檢測電阻，并通過一個運(yùn)算放大器將電阻上的電壓信號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)電流檢測電路的輸出信號，實(shí)時調(diào)整PWM信號的占空比。當(dāng)檢測到電流過大時，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)動電路

L298N模塊內(nèi)部的H橋電路由四個MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）組成，通過控制這四個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，只需切換相應(yīng)MOSFET的導(dǎo)通狀態(tài)即可。同時，H橋電路還具備反向電動勢（BEMF）保護(hù)功能，防止電機(jī)在突然斷電時產(chǎn)生的反向電動勢損壞驅(qū)動電路。

三、軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括PWM信號的產(chǎn)生、電流檢測與處理和保護(hù)機(jī)制的觸發(fā)。在STM32單片機(jī)中，可以使用定時器生成PWM信號，并通過ADC讀取電流檢測電阻上的電壓值。根據(jù)讀取的電壓值計算實(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信號的占空比以實(shí)現(xiàn)電流限制。同時，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)動電路原型機(jī)，并進(jìn)行了多次測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該驅(qū)動電路能夠準(zhǔn)確檢測電機(jī)電流，并在電流超過設(shè)定閾值時有效限制電流，確保電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。同時，該電路還具備良好的動態(tài)響應(yīng)能力和保護(hù)機(jī)制，能夠應(yīng)對各種復(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)動電路方案，通過結(jié)合電流檢測電阻、PWM控制技術(shù)和H橋驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)了對電機(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。