【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

前言

一般有关直流有刷电机的仿真都是直接高低电平驱动，或者ULN2003，这种电路是只能驱动小电压小功率的电机的，如果碰到电压稍高一些，电流大一些的电机，2003驱动是驱动不起来的，这时候对于大电流的电机，一般就是MOS管或者IGBT，相对来说，NMOS是经济实用之选，本节就带领大家使用单片机，搭建H桥驱动电路来驱动一个24V的直流有刷电机。整个程序我会附在最后。

先附上完整的仿真电路图一张，再逐个讲解：

要想使用H桥，就得需要一个半桥驱动芯片，当然，在市面上的各种驱动芯片应有尽有，半桥驱动芯片，三相桥集成驱动芯片等等，但在protues中，我只找到一款IR2101驱动，这是一款高压驱动芯片，24V算是低压的，不过也没关系了，只能用这个，仿真应该是可以的。

首先就是绘制H桥驱动电路：

这是我绘制的H桥驱动电路，这个电路在驱动原理上是没有什么问题的，我做了简化，真实的驱动电路中还需要加入一些其他的电路以及二极管，如图：

这个二极管的作用更大一些。

G极电阻并联二极管的作用：

因为MOS管内部都是有极间电容的，也就是说，在MOS的G极与S极之间有电容，也就是说，G极出来的这个电阻与GS极间电容形成一个RC充放电电路：如图：

调节这个电阻就可以调节MOS输出的PWM由低电平到高电平的上升时间，上升实际太长或太短都不太好，根据实际情况选择电阻。

而PWM由高变低时的下降时间，同样时间常数也是由这个RC共同决定的，因此如果在G极电阻上并联一个二极管，放电的时候直接经过这个二极管把电流放出去，那么下降时间就会比较快。

当然，这个看你想不想加，想加的话按照图上自己添加即可。

这里需要提一下超过5V的电源怎么添加：

１.首先在图中的位置选中电源添加一个电源：

２.随后双击电源，修改电压，一定要有“+”号：

然后就是驱动芯片电路了：

驱动信号的左边HIN与LIN也就是控制驱动芯片输出的两个输入信号了，也就是接入单片机，单片机输出是5V信号，而且电流小，是不可以直接驱动MOS管的，驱动芯片的作用实际就是增压扩流的作用，驱动芯片右边的HO也就是跟HIN的输入信号波形一致，但是是12V的，而且电流比较大，LO也是同样的。

当然，大家应该也都看到了那个C1，C2电容，这两个电容是半桥驱动的精髓，重中之重，没有这个电容，半桥是无法工作的，如图：

这两个电容俗称自举电容，或泵电容。这个不是某种特殊电容，而是按照功能给它起的名字，因为这个电容会把电压抬升上来，就像水泵一样，随意叫泵电容，驱动芯片的供电是12V，H桥的电压是24V，C1这个泵电容与D1这个二极管结合，会把电压抬升到36V，这就牵涉到另外一个知识点：为什么H桥上管的PWM不能发100%占空比。

有关自举电容或泵电容的详细解释，请自行百度，百度的解释肯定比我的解释要专业得多，电路这部分内容展开就没边了。只需要记住这个自举电容与它旁边的二极管比较重要即可，没有这两个，有可能电机也可以转，但电机是转不好的，稍后我们测试一下。

然后我们来测试一下，电路行不行，按照电机驱动的原理：

按照上图的驱动原理，Q5发送PWM控制电流，Q7，Q6关闭，Q8打开，让电流经过Q5，电机，从Q8回到负极，电机就可以正转了，如此的话，反转也是一样的道理，Q6发PWM，Q5，Q8关闭，Q7打开，那么电机就会反转了，我们先不写程序，使用proteus自带的脉冲模块来试一下：

此时电机旋转如图：

GIF看不清楚转速，我就截图了，最后转速是在600转左右：

如果我们把那个自举电容去掉呢？如图：

最后电机只能到200转，差距还是很大的。

现在我们是使用的proteus自带的脉冲模块来控制的电机，接下来就要使用单片机来控制了。因为proteus里没有东西能够测量直流电机的实际转速，所以也就只能开环控制，只能调节占空比了。因此我们使用LCD1602来显示当前的占空比，对于LCD1602的驱动说明，还有我的LCD1602源码，可以查看之前的文章：https://www.icxbk.com/article/detail/1067.html 这里就不在赘述了。

然后我们整理一下单片机发送PWM的思路，由于51单片机是没有单独的PWM模块的，因此只能使用IO口来模拟PWM，如果要控制精确一些，就需要定时器的配合，因此，我们需要选用一个定时器来计时，然后在定时器中断中自加一个变量，然后用那个变量来确定IO口发多长时间的高电平，多长时间的低电平。我们先确定控制MOS的引脚，程序中也先声明一下：

我们就先发送50%占空比，按照之前的思路，程序如下：

#include <reg52.h>
#include "1602.h"
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit leftH = P1^3;
sbit leftL = P1^4;
sbit rightH = P1^5;
sbit rightL = P1^6;
uint counter = 0;  //定时器计数
uint pulse = 0;   //占空比值
/@@*中断初始化*/
void irq_init(void)
{TMOD = 0x01; //T    模式1，十六位计数器TL0 = (65535-500)/256;    TH0 = (65535-500)%256; ET0 = 1;     //允许TO中断TR0 = 1;    //关闭T0EA = 1;            //允许总中断
}
void main()
{irq_init();  //中断初始化while(1){pulse = 50;}
}
/@@*********************************************************/
// 定时器0中断服务程序.
/@@*********************************************************/
void timer0 () interrupt 1
{        TH0  = (65535-500)/256;  //500usTL0  = (65535-500)%256;  //500uscounter ++;  //计数值自加if(counter >= 100)counter = 0;if(counter < pulse){leftH = 1;leftL = 0;rightH = 0;rightL = 1;}else{leftH = 0;leftL = 0;rightH = 0;rightL = 1;        }
}

我们来看上面程序，定时器定时500us进入一次中断，然后counter进行自加计数，计数达到100时清零，当counter小于我们设定的pulse时，leftH就发送高电平，反之则是低电平，这样就相当于是STM32的PWM1模式了，在主函数的while循环中，设定pulse占空比为50，50/100也就是50%占空比。

然后我们仿真一下，这时候报错了：

没关系，这个是proteus软件参数没有设置对，最小电导Minimum conductance设置得太小了，改一下即可：

选择System->Set Animation Options 我这里是Proteus8.6，也就是倒数第三个：

然后点SPICE Options：

就是这个GMIN出了问题，我这里是1e-012，把这个修改成1e-05就好了，就是把这个数增大点：

然后开始运行，可以看到电机已经可以转起来了，说明我们的PWM起作用了。

然后我们把占空比显示在LCD上，程序如下：

/@@*显示函数*/
void display(void)
{char str[20];sprintf((char *)str,"Pulse:%d",pulse);print_string(str,1);
}
void main(void)
{irq_init();  //中断初始化lcd_init();  //LCD初始化while(1){pulse = 50;display();}
}

效果如图：

然后，我们这个功能不完善，因为只能在程序上调占空比，至少要有两个按键来加减速的，因此，我们在电路上再加入两个按键：

然后把按键检测的程序写上：

sbit key1 = P3^0;  //加速
sbit key2 = P3^1;  //减速
uint key_result = 0;  //保存按键结果
void key_delay(uchar t)
{ int j;  for(;t!=0; t--)  for (j=0;j<255;j++);
}
/@@*按键检测  如果按键1被按下就返回1
如果按键2被按下就返回2  如果没有按键按下就返回0*/
uint key_scan(void)
{uint result = 0;/@@*先将按键电平拉高*/key1 = 1;key2 = 1;/@@*检测按键1是否被按下*/if(key1 == 0){key_delay(5);if(key1 == 0){result = 1;}}/@@*检测按键2是否被按下*/if(key2 == 0){key_delay(5);if(key2 == 0){result = 2;}}    return result;
}

上面程序中，如果没有按键按下，就会返回0，按键1按下就会返回1，按键2按下就会返回2。然后我们在根据返回值来修改占空比即可，此时主函数修改如下：

void main(void)
{irq_init();  //中断初始化lcd_init();  //LCD初始化while(1){display();key_result = key_scan();/@@*按键1按下则占空比增加*/if(key_result == 1){pulse = pulse + 10;if(pulse > 99)pulse = 99;}/@@*按键2按下则占空比减少*/else if(key_result == 2){pulse = pulse - 10;if(pulse < 0)pulse = 0;}}
}

由于我在仿真中使用的是带惯性负载的电机，因此电机转速变化会比较慢，最后放一个综合起来的效果图：

本篇就只做了电机正转的程序，反转举一反三即可，改动不大，而且本篇对于电源部分的降压电路，24V转12V，12V转5V并没有画出，这一点注意。

我的工程目录如图：

关于1602的驱动程序，在之前的文章已经贴上的所有程序。链接：【Proteus】单片机配合矩阵键盘LCD1602制作简易计算器 - 知乎

因此，这个工程我就只贴主文件的程序了。

main.c程序如下：

#include <reg52.h>
#include "1602.h"
#include <stdio.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit leftH = P1^3;
sbit leftL = P1^4;
sbit rightH = P1^5;
sbit rightL = P1^6;
sbit key1 = P3^0;  //加速
sbit key2 = P3^1;  //减速
uint counter = 0;  //定时器计数
uint pulse = 0;   //占空比值
uint key_result = 0;  //保存按键结果
void key_delay(uchar t)
{ int j;  for(;t!=0; t--)  for (j=0;j<255;j++);
}
/@@*按键检测  如果按键1被按下就返回1
如果按键2被按下就返回2  如果没有按键按下就返回0*/
uint key_scan(void)
{uint result = 0;/@@*先将按键电平拉高*/key1 = 1;key2 = 1;/@@*检测按键1是否被按下*/if(key1 == 0){key_delay(5);if(key1 == 0){result = 1;}}/@@*检测按键2是否被按下*/if(key2 == 0){key_delay(5);if(key2 == 0){result = 2;}}    return result;
}
/@@*中断初始化*/
void irq_init(void)
{TMOD = 0x01; //T    模式1，十六位计数器TL0 = (65535-500)/256;    TH0 = (65535-500)%256; ET0 = 1;     //允许TO中断TR0 = 1;    //关闭T0EA = 1;            //允许总中断wmen
}
/@@*显示函数*/
void display(void)
{char str[20];sprintf((char *)str,"Pulse:%d",pulse);print_string(str,1);
}
void main(void)
{irq_init();  //中断初始化lcd_init();  //LCD初始化while(1){display();key_result = key_scan();/@@*按键1按下则占空比增加*/if(key_result == 1){pulse = pulse + 10;if(pulse > 99)pulse = 99;}/@@*按键2按下则占空比减少*/else if(key_result == 2){pulse = pulse - 10;if(pulse < 0)pulse = 0;}}
}
/@@*********************************************************/
// 定时器0中断服务程序.
/@@*********************************************************/
void timer0 () interrupt 1
{        TH0  = (65535-500)/256;  //500usTL0  = (65535-500)%256;  //500uscounter ++;  //计数值自加if(counter >= 100)counter = 0;if(counter < pulse){leftH = 1;leftL = 0;rightH = 0;rightL = 1;}else{leftH = 0;leftL = 0;rightH = 0;rightL = 1;        }
}

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