一開(kāi)始，驅(qū)動(dòng)電機(jī)似乎是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)——只要把電機(jī)連接到合適的電壓軌道上，它就會(huì)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。但這并不是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的完美方式，特別是當(dāng)電路中涉及到其他組件時(shí)。這里我們將討論一種最常用和最有效的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式——h橋電路。

汽車(chē)駕駛

在低功率應(yīng)用的愛(ài)好者圈子中，最常見(jiàn)的電機(jī)類(lèi)型是下圖所示的3V直流電機(jī)。這種電機(jī)是為兩個(gè)1.5V電池的低電壓操作而優(yōu)化的。

運(yùn)行起來(lái)很簡(jiǎn)單，只要把它連接到兩個(gè)電池上，馬達(dá)就會(huì)立即啟動(dòng)，只要連接上電池就能運(yùn)行。雖然這種設(shè)置對(duì)于像微型風(fēng)車(chē)或風(fēng)扇這樣的“靜態(tài)”應(yīng)用很好，但對(duì)于像機(jī)器人這樣的“動(dòng)態(tài)”應(yīng)用，就需要更高的精度——以變速和扭矩控制的形式。

很明顯，降低電機(jī)上的電壓會(huì)降低速度，電池耗盡會(huì)導(dǎo)致電機(jī)變慢，但如果電機(jī)由多個(gè)設(shè)備共用的軌道供電，則需要適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路。

這甚至可以以可變線(xiàn)性調(diào)節(jié)器的形式，如LM317 -電機(jī)上的電壓可以改變，以增加或減少速度。如果需要更大的電流，這個(gè)電路可以用幾個(gè)雙極晶體管謹(jǐn)慎地構(gòu)建。這種設(shè)置的最大缺點(diǎn)是效率——就像其他負(fù)載一樣，晶體管會(huì)消耗掉所有不必要的功率。

解決這個(gè)問(wèn)題的方法是一種稱(chēng)為PWM或脈沖寬度調(diào)制的方法。在這里，電機(jī)由一個(gè)方波驅(qū)動(dòng)，具有可調(diào)的占空比(接通時(shí)間與信號(hào)周期的比率)。輸出的總功率與占空比成正比。換句話(huà)說(shuō)，電機(jī)在一小段時(shí)間內(nèi)供電，因此隨著時(shí)間的推移，電機(jī)的平均功率很低。占空比為0%時(shí)，電機(jī)關(guān)閉(無(wú)電流流動(dòng));占空比為50%時(shí)，電機(jī)以一半功率運(yùn)行(電流消耗的一半)，100%代表最大電流消耗的全功率。

這是通過(guò)連接電機(jī)高側(cè)并使用n溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，后者再次由PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)。

這有一些有趣的含義- 3V電機(jī)可以使用12V電源驅(qū)動(dòng)，使用低占空比，因?yàn)殡姍C(jī)只看到平均電壓。精心設(shè)計(jì)，這消除了需要一個(gè)單獨(dú)的電機(jī)電源。

如果我們需要反轉(zhuǎn)電機(jī)的方向呢?這通常是通過(guò)開(kāi)關(guān)電機(jī)端子來(lái)完成的，但這也可以用電來(lái)完成。

一種選擇是使用另一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)負(fù)電源來(lái)切換方向。這要求電機(jī)的一端永久接地，另一端連接到正極或負(fù)極電源。在這里，mosfet充當(dāng)SPDT開(kāi)關(guān)。

然而，存在一種更優(yōu)雅的解決方案。

H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

這個(gè)電路被稱(chēng)為H橋，因?yàn)閙osfet形成兩個(gè)垂直筆畫(huà)，而電機(jī)形成字母“H”的水平筆畫(huà)。它是所有電機(jī)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題的簡(jiǎn)單而優(yōu)雅的解決方案。方向可隨意改變，速度可控制。

在h橋配置中，只有對(duì)角相反的mosfet對(duì)被激活來(lái)控制方向，如下圖所示：

當(dāng)激活一對(duì)mosfet(對(duì)角線(xiàn)相反)時(shí)，電機(jī)看到電流朝一個(gè)方向流動(dòng)，當(dāng)另一對(duì)mosfet被激活時(shí)，電流通過(guò)電機(jī)的方向相反。

mosfet可以打開(kāi)以獲得全功率或PWM-ed以進(jìn)行功率調(diào)節(jié)或關(guān)閉以使電機(jī)停止。激活底部和頂部mosfet(但從不一起)制動(dòng)電機(jī)。

實(shí)現(xiàn)H-Bridge的另一種方法是使用555計(jì)時(shí)器，我們?cè)谇耙粋€(gè)教程中討論過(guò)。

組件的要求

對(duì)于H橋

?直流電機(jī)

?2個(gè)IRF3205 n溝道m(xù)osfet或等效器件

?2個(gè)IRF5210 p溝道m(xù)osfet或等效器件

?2個(gè)10K電阻(下拉)

?2個(gè)100uF電解電容(去耦)

?2個(gè)100nF陶瓷電容器(去耦)

控制電路

?1x 555定時(shí)器(任何變體，最好是CMOS)

?1x TC4427或任何合適的柵極驅(qū)動(dòng)器

?2x 1N4148或任何其他信號(hào)/超快二極管

?1個(gè)10K電位器(定時(shí))

?1x 1K電阻(定時(shí))

?4.7nF電容器(定時(shí))

?4.7uF電容(去耦)

?100nF陶瓷電容器(去耦)

?10uF電解電容器(去耦)

?SPDT開(kāi)關(guān)

簡(jiǎn)單h橋電路原理圖

既然我們已經(jīng)有了理論，現(xiàn)在是時(shí)候動(dòng)手制作一個(gè)h橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器了。該電路有足夠的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)中等大小的電機(jī)高達(dá)20A和40V與適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和散熱。一些功能得到了簡(jiǎn)化，比如使用SPDT開(kāi)關(guān)來(lái)控制方向。

此外，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，高側(cè)mosfet為p溝道。使用適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路(帶自舉)，也可以使用n溝道m(xù)osfet。

使用mosfet的h橋的完整電路圖如下：

解釋工作

1. 555定時(shí)器

定時(shí)器是一個(gè)簡(jiǎn)單的555電路，產(chǎn)生約10%至90%的占空比。頻率由R1， R2和C2設(shè)定。高頻率是首選，以減少可聽(tīng)到的嗚嗚聲，但這也意味著需要一個(gè)更強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)器。占空比由電位器R2控制。在這里了解更多關(guān)于在不穩(wěn)定模式下使用555定時(shí)器的信息。

該電路可以由任何其他PWM源(如Arduino)代替。

2. 門(mén)驅(qū)動(dòng)器

柵極驅(qū)動(dòng)器是標(biāo)準(zhǔn)的雙通道TC4427，每個(gè)通道有1.5A的接收/源。在這里，兩個(gè)通道都并聯(lián)以獲得更大的驅(qū)動(dòng)電流。同樣，如果頻率更高，柵極驅(qū)動(dòng)器需要更強(qiáng)大。

SPDT開(kāi)關(guān)用于選擇控制方向的h橋支腿。

3. H橋

這是控制電機(jī)的電路的工作部分。MOSFET柵極通常被下拉電阻拉低。這導(dǎo)致兩個(gè)P溝道m(xù)osfet打開(kāi)，但這不是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)闆](méi)有電流可以流動(dòng)。當(dāng)PWM信號(hào)被施加到一個(gè)支路的柵極時(shí)，N和p通道m(xù)osfet交替打開(kāi)和關(guān)閉，控制功率。

H橋電路構(gòu)造技巧

這種電路最大的優(yōu)點(diǎn)是它可以擴(kuò)展到驅(qū)動(dòng)各種大小的電機(jī)，而不僅僅是電機(jī)——任何需要雙向電流信號(hào)的東西，比如正弦波逆變器。

當(dāng)使用這個(gè)電路時(shí)，即使在低功率下，適當(dāng)?shù)木植咳ヱ钍潜仨毜模悄阆胱屇愕碾娐烦霈F(xiàn)故障。

此外，如果在PCB等更永久的平臺(tái)上構(gòu)建此電路，建議使用大的接地平面，使低電流部件遠(yuǎn)離高電流路徑。

因此，這種簡(jiǎn)單的h橋電路可以解決許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，如雙向，電源管理和效率。

本文編譯自circuitdigest