關(guān)于直流電機(jī) H 橋驅(qū)動(dòng)方案的選擇

1、關(guān)于直流電機(jī) H 橋驅(qū)動(dòng)方案的選擇一、背景本文一直想留給做小車(chē)的同學(xué)去寫(xiě),期望他們?cè)谥谱鬟^(guò)程中能夠悟出其中的道理?？蔁o(wú)奈等至今日也未見(jiàn)一文半字,卻接到了無(wú)數(shù)的質(zhì)詢:你為何要用分立元件構(gòu)建 H橋驅(qū)動(dòng)?為何不選擇 L298 集成電路橋?為何要使用MOS管?等等,我回復(fù)的太累了,只好將其整理一下,供大家參考,有不妥之處望指正,更望能有人提出進(jìn)一步的分析。二、分析內(nèi)容界定本文只涉及有刷直流電機(jī) H 橋驅(qū)動(dòng)部分的電路,不討論如何控制 H 橋?如何實(shí)現(xiàn)PWM,以及如何實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)等。而且主要討論構(gòu)成H橋4個(gè)橋臂對(duì)性能的影響。三、H橋原理簡(jiǎn)述所謂 H 橋驅(qū)動(dòng)電路是為了直流電機(jī)而設(shè)計(jì)的一種常見(jiàn)電路,它主要實(shí)現(xiàn)

2、直流電機(jī)的正反向驅(qū)動(dòng),其典型電路形式如下: 從圖中可以看出,其形狀類(lèi)似于字母“H”,而作為負(fù)載的直流電機(jī)是像“橋”一樣架在上面的,所以稱(chēng)之為“ H 橋驅(qū)動(dòng)”。4個(gè)開(kāi)關(guān)所在位置就稱(chēng)為“橋臂”。從電路中不難看出,假設(shè)開(kāi)關(guān) A、D接通,電機(jī)為正向轉(zhuǎn)動(dòng),則開(kāi)關(guān)B、C接通時(shí),直流電機(jī)將反向轉(zhuǎn)動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的正反向驅(qū)動(dòng)。借助這 4 個(gè)開(kāi)關(guān)還可以產(chǎn)生電機(jī)的另外 2 個(gè)工作狀態(tài):A剎車(chē) 將B 、D開(kāi)關(guān)(或A、C接通,則電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電勢(shì)將被短路,形成阻礙運(yùn)動(dòng)的反電勢(shì),形成“剎車(chē)”作用。B惰行 4個(gè)開(kāi)關(guān)全部斷開(kāi),則電機(jī)慣性所產(chǎn)生的電勢(shì)將無(wú)法形成電路,從而也就不會(huì)產(chǎn)生阻礙運(yùn)動(dòng)的反電勢(shì),電機(jī)將慣性轉(zhuǎn)動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)

3、間。以上只是從原理上描述了H 橋驅(qū)動(dòng),而實(shí)際應(yīng)用中很少用開(kāi)關(guān)構(gòu)成橋臂,通常使用晶體管,因?yàn)榭刂聘鼮榉奖?速度壽命都長(zhǎng)于有接點(diǎn)的開(kāi)關(guān)(繼電器。細(xì)分下來(lái),晶體管有雙極性和MOS管之分,而集成電路只是將它們集成而已,其實(shí)質(zhì)還是這兩種晶體管,只是為了設(shè)計(jì)、使用方便、可靠而做成了一塊電路。 雙極性晶體管構(gòu)成的 H 橋。 以下就分析一下這些電路的性能差異。四、幾種典型H橋驅(qū)動(dòng)電路分析分析之前,首先要確定 H 橋要關(guān)注那些性能:A效率 所謂驅(qū)動(dòng)效率高,就是要將輸入的能量盡量多的輸出給負(fù)載,而驅(qū)動(dòng)電路本身最好不消耗或少消耗能量,具體到H橋上,也就是4個(gè)橋臂在導(dǎo)通時(shí)最好沒(méi)有壓降,越小越好。B安全性 不能同側(cè)橋臂

4、同時(shí)導(dǎo)通;C電壓 能夠承受的驅(qū)動(dòng)電壓;D電流 能夠通過(guò)的驅(qū)動(dòng)電流。大致如此,仔細(xì)考量,指標(biāo)B似乎不是H橋本身的問(wèn)題,而是控制部分要考慮的,而后兩個(gè)指標(biāo)通過(guò)選擇合適參數(shù)的器件就可以達(dá)到,只要不是那些特別大的負(fù)載需求,每種器件通常都能選擇到。而且,小車(chē)應(yīng)用中所能遇到的電流、電壓更是有限。只有指標(biāo)A是由不同器件的性能所決定的,而且是運(yùn)行中最應(yīng)該關(guān)注的指標(biāo),因?yàn)樗苯佑绊懥诵≤?chē)的效率。所以,將分析的重點(diǎn)放在效率上,也就是橋臂的壓降上。為了使分析簡(jiǎn)單,便于比較,將H橋的驅(qū)動(dòng)定位在 2A水平上,而電壓在5-12V之間。選擇三個(gè)我所涉及到的器件:A雙極性晶體管 D772、D882BMOS管 2301、230

5、2C集成電路H橋 L298D772的壓降指標(biāo)如下: D882的壓降指標(biāo)如下: 2301的壓降指標(biāo)如下: 因?yàn)镸OS管是以導(dǎo)通電阻來(lái)衡量的,需要換算一下,小車(chē)的控制電壓是4.5V,按上面的導(dǎo)通電阻計(jì)算,2A的壓降應(yīng)該是: 2* 0.093 = 0.186V,最大是:2 * 0.13 = 0.26V。2302的壓降指標(biāo)如下: 同上換算一下,小車(chē)的控制電壓是4.5V(電池電壓,按上面的導(dǎo)通電阻計(jì)算,2A的壓降應(yīng)該是: 2* 0.045 = 0.09V,最大是:2 * 0.06 = 0.12V。L298的壓降指標(biāo)如下: 表中第一行為上橋臂的壓降,對(duì)應(yīng)D772、2301,第二行為下橋臂的壓降,對(duì)應(yīng)D882、2302,第三行為兩者之和。對(duì)比一下不難看出,如果均以2A電流驅(qū)動(dòng)計(jì)算,三種驅(qū)動(dòng)自身所消耗的功率如下: D772、D882 : (0.5+0.5* 2 = 2 W2301、2302: (0.26+0.12 * 2 = 0.76 WL298 : 4.9 * 2 = 9.8 W結(jié)論不言自明了吧!從這組數(shù)據(jù)就可以看出三者的散熱需求及外形設(shè)計(jì)道理了。這里也就解釋了圓夢(mèng)小車(chē)開(kāi)始使用D772、D882驅(qū)動(dòng)時(shí)為何選用3V的130 電機(jī) ,因?yàn)樾≤?chē)是4節(jié)充電電池供電,只有4.8 5V,H 橋壓降1V,所以只能使用3