H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路詳解
電機(jī):俗稱“馬達(dá)”,依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。包括:電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。
電動(dòng)機(jī)在電路中是用字母M表示,它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩;作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源,發(fā)電機(jī)在電路中用字母G表示,它的主要作用是利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。
電機(jī)控制:對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)、加速、運(yùn)轉(zhuǎn)、減速及停止進(jìn)行的控制。
1.直流有刷電機(jī)
直流有刷電機(jī)(Brushed DC,簡(jiǎn)稱BDC),由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操控方便,成本低廉,具有良好的偏動(dòng)和調(diào)速性能等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于各種動(dòng)力器件中,小到玩具,按鈕調(diào)節(jié)式汽車(chē)座椅,大到印刷機(jī)械等生產(chǎn)機(jī)械中都能看到它的身影。
直流電源的電能通過(guò)電刷和換向器進(jìn)入電樞繞組,產(chǎn)生電樞電流,電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)負(fù)載。
優(yōu)點(diǎn):價(jià)格低、控制方便
缺點(diǎn):由于電刷和換向器的存在,有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可靠性差,故障多,維護(hù)工作量大,壽命短,換向火花易產(chǎn)生電磁干擾。
2.步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)就是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu);更通俗一點(diǎn)講:當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。我們可以通過(guò)控制脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)控制電機(jī)的角位移量,從而達(dá)到精確定位的目的;同時(shí)還可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。
優(yōu)點(diǎn):控制簡(jiǎn)單,低速扭矩大,成本低;
缺點(diǎn):步進(jìn)電機(jī)存在空載啟動(dòng)頻率,所以步進(jìn)電機(jī)可以低速正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度時(shí)就無(wú)法啟動(dòng),并伴有尖銳的嘯叫聲;同時(shí),步進(jìn)電機(jī)是開(kāi)環(huán)控制,控制精度和速度都沒(méi)有伺服電機(jī)那么高。
3.伺服電機(jī)
伺服電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中,能將輸入的電壓信號(hào)(或者脈沖數(shù))轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的機(jī)械輸出量,拖動(dòng)被控制元件,從而達(dá)到控制目的。伺服電機(jī)系統(tǒng)見(jiàn)下圖。一般地,要求轉(zhuǎn)矩能通過(guò)控制器輸出的電流進(jìn)行控制;電機(jī)的反應(yīng)要快、體積要小、控制功率要小。伺服電機(jī)主要應(yīng)用在各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中,尤其是隨動(dòng)系統(tǒng)。
伺服電機(jī)有直流和交流之分,最早的伺服電機(jī)是一般的直流有刷電機(jī),在控制精度不高的情況下,才采用一般的直流電機(jī)做伺服電機(jī)。當(dāng)前隨著永磁同步電機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,絕大部分的伺服電機(jī)是指交流永磁同步伺服電機(jī)或者直流無(wú)刷電機(jī)。
優(yōu)點(diǎn):可使控制速度,位置精度非常準(zhǔn)確,效率高,壽命長(zhǎng)。
缺點(diǎn):控制復(fù)雜,價(jià)格昂貴,需要專業(yè)人士才能控制。
4.無(wú)刷直流電機(jī)
直流無(wú)刷電機(jī)與伺服電機(jī)有類似的優(yōu)缺點(diǎn)。BLDC電機(jī)比PMSM電機(jī)造價(jià)便宜一些,驅(qū)動(dòng)控制方法簡(jiǎn)單一些。
5.直流減速電機(jī)
減速電機(jī)的重要參數(shù)
電機(jī)線圈是有銅導(dǎo)線繞線而成的,所以其電機(jī)電樞繞組電阻一般都是非常小這樣回路中電流一般都是比較大的。這對(duì)我們電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)有很大的影響。
6.直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
如果不需要正反轉(zhuǎn)控制(單向旋轉(zhuǎn)),可以用下圖驅(qū)動(dòng)電路,實(shí)現(xiàn)電機(jī)單向控速。
◆當(dāng)開(kāi)關(guān)A和D閉合、B和C斷開(kāi)時(shí)直流電機(jī)正常旋轉(zhuǎn),記該旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较颉?/span>
7.H橋電路分析
驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí),保證H橋兩個(gè)同側(cè)的MOS管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要,如果MOS管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通,那么電流就會(huì)從電源正極穿過(guò)兩個(gè)MOS管直接回到負(fù)極,此時(shí)電路中除了MOS管外沒(méi)有其它任何負(fù)載,因此電路上的電流就達(dá)到最大值,燒壞MS管和電源。Q3和Q4同時(shí)導(dǎo)通是同樣的道理。
簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)只能控制電機(jī)正反轉(zhuǎn),引入PWM控制可以實(shí)現(xiàn)方向和速度調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)控速,占空比越大平均電壓(電流)越大,速度越快PWM頻率一般在10KHz~20KHz之間。頻率太低會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低,噪聲較大。頻率太高,會(huì)因?yàn)镸OS管的開(kāi)關(guān)損耗而降低系統(tǒng)的效率。
1.受限單極模式
優(yōu)點(diǎn):控制電路簡(jiǎn)單。
缺點(diǎn):不能剎車(chē),不能能耗制動(dòng),在負(fù)載超過(guò)設(shè)定速度時(shí)不能提供向力矩。調(diào)速靜差大,調(diào)速性能很差,穩(wěn)定性也不好。
2.單極模式
優(yōu)點(diǎn):?jiǎn)?dòng)快,能加速,剎車(chē),能耗制動(dòng),能量反饋,調(diào)速性能不如雙極模式好,但是相差不多,電機(jī)特性也比較好。在負(fù)載超速時(shí)也能提供反向力矩。
缺點(diǎn):剎車(chē)時(shí),不能減速到0,速度接近0速度時(shí)沒(méi)有制動(dòng)力。不能突然倒轉(zhuǎn)。動(dòng)態(tài)性能不好,調(diào)速靜差稍大。
PWM和PWMN是互補(bǔ)的PWM信號(hào),一般用高級(jí)控制定時(shí)器的通道和互補(bǔ)通道控制。在PWM為高電平時(shí):MOS管1和4都導(dǎo)通,MOS管2和3都截止,電流從電源正極,經(jīng)過(guò)MOS管1,從左到右流過(guò)電機(jī)、然后經(jīng)過(guò)MOS管4流入電源負(fù)極。在PWM為低電平時(shí):MOS管2和4都導(dǎo)通,MOS管1和3都截止,根據(jù)楞次定律,存在自感電動(dòng)勢(shì),電流還是從左到右流過(guò)電機(jī),經(jīng)過(guò)MOS管4和MOS管2形成電流回路。
3.雙極模式
優(yōu)點(diǎn):能正反轉(zhuǎn)運(yùn)行,啟動(dòng)快,調(diào)速精度高,動(dòng)態(tài)性能好,調(diào)速靜差小,調(diào)速范圍大,能加速,減速,剎車(chē),倒轉(zhuǎn),能在負(fù)載超過(guò)設(shè)定速度時(shí),提供反向力矩,能克服電機(jī)軸承的靜態(tài)摩擦力,產(chǎn)生非常低的轉(zhuǎn)速。
缺點(diǎn):控制電路復(fù)雜。在工作期間,4個(gè)MOS管都處于工作狀態(tài),功率損耗大,電機(jī)容易發(fā)燙。
4.H橋硬件電路設(shè)計(jì)
H橋中一般使用4個(gè)N型MOS管來(lái)搭建。不用2個(gè)N型MOS管+2個(gè)P型MOS管的原因是:P型MOS管難做到高耐壓大電流的型號(hào),導(dǎo)通電阻大。同樣性能的MOS,N型比P型便宜。
對(duì)于NMOS,當(dāng)外部給的柵源極Vgs電壓大于芯片的Vgs閾值(大部分在2V-10V之間)時(shí),漏極D和源極S之間直接導(dǎo)通。如果外部給的Vgs電壓小于閾值,漏極D和源極S之間截止。
簡(jiǎn)單認(rèn)為,就是一個(gè)由柵極G電壓控制的一個(gè)開(kāi)關(guān)。
假設(shè)圖中N-MOS管的Vgs閾值為3V,VCC=24V。
上橋臂Q1 MOS管無(wú)法直接使用STM32芯片引腳使其導(dǎo)通,因?yàn)榧僭O(shè)Q1導(dǎo)通,漏極D和源極S電壓幾乎相等(Rds非常小),即VA=VCC=24V,這樣要求Vg>=VA+Vgs=27V。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是,Vg大于27V,Q1導(dǎo)通,小于27V,Q1截止。所以就需要一個(gè)這樣的電路:把STM32的3.3VPWM信號(hào)升壓到27V電壓上,這個(gè)電路可以用自舉電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。
上橋臂驅(qū)動(dòng):自舉電路
實(shí)際電路設(shè)計(jì)中,一般把Vgs設(shè)置為10~20V,因?yàn)檫@樣保證MOS管完全導(dǎo)通。
5.半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2104S
所謂半橋驅(qū)動(dòng)芯片,便是一塊驅(qū)動(dòng)芯片只能用于控制H橋一側(cè)的2個(gè)MOS管。因此采用半橋驅(qū)動(dòng)芯片時(shí),需要兩塊該芯片才能控制一個(gè)完整的H橋。
相應(yīng)的,全橋驅(qū)動(dòng)芯片便是可以直接控制4個(gè)MOS管的導(dǎo)通與截止,一塊該芯片便能完成一個(gè)完整H橋的控制。
這里使用的IR2104便是一款半橋驅(qū)動(dòng)芯片,因此在原理圖中可以看到每個(gè)H橋需要使用兩塊此芯片。
1.典型電路設(shè)計(jì)(來(lái)源于數(shù)據(jù)手冊(cè))
2.引腳功能(來(lái)源于數(shù)據(jù)手冊(cè))
VCC為芯片的電源輸入,手冊(cè)中給出的工作電壓為10~20V。
IN和SD作為輸入控制,可共同控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)(轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和是否轉(zhuǎn)動(dòng))。
VB和VS主要用于形成自舉電路。
HO和LO接到MOS管柵極,分別用于控制上橋臂和下橋臂MOS的導(dǎo)通與截止。
COM腳直接接地即可。
3.自舉電路
此部分是理解該芯片的難點(diǎn),需要進(jìn)行重點(diǎn)講解。從上面的典型電路圖和最初的設(shè)計(jì)原理圖中均可發(fā)現(xiàn):該芯片在Vcc和VB腳之間接了一個(gè)二極管,在VB和VS之間接了一個(gè)電容。這便構(gòu)成了一個(gè)自舉電路。
因?yàn)橄聵虮跰OS源極接地,想要導(dǎo)通只需要令其柵極電壓大于開(kāi)啟電壓Vth。而上橋臂MOS源極接到負(fù)載,如果上橋臂MOS導(dǎo)通,那么其源極電壓將上升到H橋驅(qū)動(dòng)電壓也就是MOS的供電電壓,此時(shí)如果柵極對(duì)地電壓不變,那么Vgs可能小于Vth,又關(guān)斷。因此想要使上橋臂MOS導(dǎo)通,必須想辦法使其Vgs始終大于或一段時(shí)間內(nèi)大于Vth(即柵極電壓保持大于MOS管的電源電壓+Vth)。
自舉電路工作流程:
以下電路圖均只畫(huà)出半橋,另外一半工作原理相同因此省略。假定Vcc=12V,VM=7.4V,MOS管的開(kāi)啟電壓Vth=6V(不用LR7843的2.3V)。
注意:因?yàn)榇藭r(shí)電容在持續(xù)放電,壓差會(huì)逐漸減小。最后,電容正極對(duì)地電壓(即上橋臂MOS柵極對(duì)地電壓)會(huì)降到Vcc,那么上橋臂MOS的柵源電壓便≈Vcc-VM=12V-7.6V=4.4V< Vth=6V,高端MOS仍然會(huì)關(guān)斷。
但是,在對(duì)上面的驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行實(shí)際測(cè)試時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn),不需要令其上下橋臂MOS輪流導(dǎo)通也可以正常工作,這是因?yàn)榧词棺耘e電容放電結(jié)束,即上橋臂MOS的柵源電壓下降到4.4V仍然大于LR7843的Vth=2.3V。
那么在上述驅(qū)動(dòng)板中,自舉電路就沒(méi)有作用了嗎?當(dāng)然不是,由于MOS管的特性,自舉電路在增加?xùn)旁碐電壓的同時(shí),還可令MOS管的導(dǎo)通電阻Rds減小,從而減少發(fā)熱損耗,因此仍然建議采用輪流導(dǎo)通的方式,用自舉電容產(chǎn)生的大壓差使MOS管導(dǎo)通工作。
8.原理圖和PCB
End
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