作者：Vivekanand
一開(kāi)始，驅動(dòng)電機似乎是一項簡(jiǎn)單的任務(wù)——只需將電機連接到適當的電壓軌，它就會(huì )開(kāi)始旋轉。但這并不是驅動(dòng)電機的完美方式，尤其是當電路中涉及其他組件時(shí)。在這里，我們將討論一種最常用和最有效的驅動(dòng)直流電機的方法——H橋電路。
電機驅動(dòng)
您可能會(huì )在愛(ài)好者圈子中遇到的用于低功率應用的最常見(jiàn)電機類(lèi)型是下圖所示的 3V 直流電機。這種電機針對兩個(gè) 1.5V 電池的低電壓運行進(jìn)行了優(yōu)化。
運行它就像將它連接到兩個(gè)電池一樣簡(jiǎn)單——只要電池連接，電機就會(huì )立即啟動(dòng)并運行。雖然這種設置適用于微型風(fēng)車(chē)或風(fēng)扇等“靜態(tài)”應用，但對于機器人等“動(dòng)態(tài)”應用，則需要更高的精度——以變速和扭矩控制的形式。
很明顯，降低電機兩端的電壓會(huì )降低速度，電池沒(méi)電會(huì )導致電機速度變慢，但如果電機由多個(gè)設備共用的軌道供電，則需要適當的驅動(dòng)電路。
這甚至可以采用可變線(xiàn)性穩壓器（如 LM317 ）的形式——電機兩端的電壓可以變化以提高或降低速度。如果需要更多電流，可以用幾個(gè)雙極晶體管謹慎地構建該電路。這種設置的最大缺點(diǎn)是效率——就像任何其他負載一樣，晶體管會(huì )消耗所有不需要的功率。
解決這個(gè)問(wèn)題的方法是一種稱(chēng)為PWM或脈沖寬度調制的方法。在這里，電機由具有可調占空比（接通時(shí)間與信號周期的比率）的方波驅動(dòng)。傳輸的總功率與占空比成正比。換句話(huà)說(shuō)，電機只在一小部分時(shí)間內通電——因此隨著(zhù)時(shí)間的推移，電機的平均功率會(huì )降低。占空比為 0% 時(shí)，電機關(guān)閉（無(wú)電流流動(dòng)）；占空比為 50% 時(shí)，電機以一半功率（電流消耗的一半）運行，100% 表示最大電流消耗時(shí)的全功率。
這是通過(guò)連接電機高端并使用 N 溝道 MOSFET 驅動(dòng)來(lái)實(shí)現的，該 MOSFET 再次由 PWM 信號驅動(dòng)。
這有一些有趣的含義——可以使用 12V 電源使用低占空比驅動(dòng) 3V 電機，因為電機只看到平均電壓。通過(guò)精心設計，無(wú)需單獨的電機電源。
如果我們需要反轉電機的方向怎么辦？這通常通過(guò)切換電機端子來(lái)完成，但也可以通過(guò)電氣方式完成。
一種選擇是使用另一個(gè)FET和負電源來(lái)切換方向。這需要電機的一個(gè)端子永久接地，而另一個(gè)端子連接到正電源或負電源。在這里，MOSFET 的作用類(lèi)似于 SPDT 開(kāi)關(guān)。
但是，存在更優(yōu)雅的解決方案。
H橋電機驅動(dòng)電路
該電路稱(chēng)為H 橋，因為 MOSFET 形成兩個(gè)垂直沖程，電機形成字母“H”的水平?jīng)_程。它是解決所有電機驅動(dòng)問(wèn)題的簡(jiǎn)單而優(yōu)雅的解決方案�？奢p松改變方向，控制速度。
在 H 橋配置中，只有對角相對的 MOSFET 對被激活以控制方向，如下圖所示：
當激活一對（對角相反的）MOSFET時(shí)，電機會(huì )看到電流沿一個(gè)方向流動(dòng)，而當另一對MOSFET被激活時(shí)，通過(guò)電機的電流會(huì )反轉方向。
MOSFET 可以保持開(kāi)啟以實(shí)現全功率或 PWM ed 以進(jìn)行功率調節或關(guān)閉以讓電機停止。激活底部和頂部 MOSFET（但不能同時(shí)激活）會(huì )使電機制動(dòng)。
所需組件
對于 H 橋
直流電機
2x IRF3205 N 溝道 MOSFET 或同等產(chǎn)品
2x IRF5210 P 溝道 MOSFET 或同等產(chǎn)品
2x 10K 電阻（下拉）
2x 100uF 電解電容（去耦）
2x 100nF 陶瓷電容器（去耦）
對于控制電路
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動(dòng)器
2x 1N4148 或任何其他信號/超快二極管
1x 10K 電位器（定時(shí)）
1x 1K 電阻（定時(shí)）
4.7nF電容（定時(shí)）
4.7uF電容（去耦）
100nF 陶瓷電容（去耦）
10uF電解電容（去耦）
單刀雙擲開(kāi)關(guān)
簡(jiǎn)單 H 橋電路原理圖
現在我們已經(jīng)了解了理論，是時(shí)候動(dòng)手做一個(gè) H 橋電機驅動(dòng)器了。該電路具有足夠的功率來(lái)驅動(dòng)高達 20A 和 40V 的中型電機，具有適當的結構和散熱片。一些功能已被簡(jiǎn)化，例如使用單刀雙擲開(kāi)關(guān)來(lái)控制方向。
此外，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，高端 MOSFET 為 P 溝道。通過(guò)適當的驅動(dòng)電路（帶自舉），也可以使用 N 溝道 MOSFET。
使用 MOSFET 的 H 橋的完整電路圖如下所示：
工作說(shuō)明
1. 555定時(shí)器
定時(shí)器是一個(gè)簡(jiǎn)單的555 電路，它產(chǎn)生大約 10% 到 90% 的占空比。頻率由 R1、R2 和 C2 設置。首選高頻以減少可聽(tīng)見(jiàn)的嗚嗚聲，但這也意味著(zhù)需要更強大的柵極驅動(dòng)器。占空比由電位器 R2 控制。
2. 柵極驅動(dòng)器
柵極驅動(dòng)器是標準的兩通道 TC4427，每通道具有 1.5A 的灌電流/拉電流。在這里，兩個(gè)通道已并聯(lián)以獲得更多驅動(dòng)電流。同樣，如果頻率更高，則柵極驅動(dòng)器需要更強大。
SPDT 開(kāi)關(guān)用于選擇控制方向的 H 橋橋臂。
3. H橋
這是控制電機的電路的工作部分。MOSFET 柵極通常被下拉電阻拉低。這導致兩個(gè) P 溝道 MOSFET 都打開(kāi)，但這不是問(wèn)題，因為沒(méi)有電流可以流動(dòng)。當 PWM 信號加到一條腿的柵極時(shí)，N 和 P 溝道 MOSFET 交替開(kāi)啟和關(guān)閉，從而控制功率。
H橋電路結構技巧
該電路的最大優(yōu)點(diǎn)是它可以擴展以驅動(dòng)各種尺寸的電機，而不僅僅是電機——任何其他需要雙向電流信號的東西，比如正弦波逆變器。
即使在低功率下使用此電路時(shí)，也必須進(jìn)行適當的局部去耦，除非您希望電路出現故障。
此外，如果在 PCB 等更永久的平臺上構建此電路，則建議使用大的接地層，使低電流部分遠離高電流路徑。
因此，這個(gè)簡(jiǎn)單的 H 橋電路可以解決許多電機驅動(dòng)問(wèn)題，例如雙向、電源管理和效率。 |
