【導(dǎo)讀】圖 1 中所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“H 橋式驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜?H。4 個(gè)三極管組成 H 的 4 條垂直腿,而電機(jī)就是 H 中的橫杠(注意:圖 1 及隨后的兩個(gè)圖都只是示意圖,而不是完整的電路圖,其中三極管的驅(qū)動(dòng)電路沒(méi)有畫(huà)出來(lái))。
一、H 橋原理
圖 1 中所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“H 橋式驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜?H。4 個(gè)三極管組成 H 的 4 條垂直腿,而電機(jī)就是 H 中的橫杠(注意:圖 1 及隨后的兩個(gè)圖都只是示意圖,而不是完整的電路圖,其中三極管的驅(qū)動(dòng)電路沒(méi)有畫(huà)出來(lái))。
如圖所示,H 橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括 4 個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況,電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī),從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。
圖 1 H 橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如,如圖 2 所示,當(dāng) Q1 管和 Q4 管導(dǎo)通時(shí),電流就從電源正極經(jīng) Q1 從左至右穿過(guò)電機(jī),然后再經(jīng) Q4 回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示,該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)?! ‘?dāng)三極管 Q1 和 Q4 導(dǎo)通時(shí),電流將從左至右流過(guò)電機(jī),從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)(電機(jī)周?chē)募^指示為順時(shí)針?lè)较颍?/div>
圖 2 H 橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)圖 3 所示為另一對(duì)三極管 Q2 和 Q3 導(dǎo)通的情況,電流將從右至左流過(guò)電機(jī)?! ‘?dāng)三極管 Q2 和 Q3 導(dǎo)通時(shí),電流將從右至左流過(guò)電機(jī),從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)(電機(jī)周?chē)募^表示為逆時(shí)針?lè)较颍?/div>
圖 3 H 橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)
二、使能控制和方向邏輯驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí),保證 H 橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要。如果三極管 Q1 和 Q2 同時(shí)導(dǎo)通,那么電流就會(huì)從正極穿過(guò)兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極。此時(shí),電路中除了三極管外沒(méi)有其他任何負(fù)載,因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值(該電流僅受電源性能限制),甚至燒壞三極管。 基于上述原因,在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開(kāi)關(guān)。 圖 4 所示就是基于這種考慮的改進(jìn)電路,它在基本 H 橋電路的基礎(chǔ)上增加了 4 個(gè)與門(mén)和 2 個(gè)非門(mén)。4 個(gè)與門(mén)同一個(gè)“使能”導(dǎo)通信號(hào)相接,這樣,用這一個(gè)信號(hào)就能控制整個(gè)電路的開(kāi)關(guān)。而 2 個(gè)非門(mén)通過(guò)提供一種方向輸人,可以保證任何時(shí)候在 H 橋的同側(cè)腿上都只有一個(gè)三極管能導(dǎo)通。(與本節(jié)前面的示意圖一樣,圖 4 所示也不是一個(gè)完整的電路圖,特別是圖中與門(mén)和三極管直接連接是不能正常工作的。)
圖 4 具有使能控制和方向邏輯的 H 橋電路
采用以上方法,電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就只需要用三個(gè)信號(hào)控制:兩個(gè)方向信號(hào)和一個(gè)使能信號(hào)。如果 DIR-L 信號(hào)為 0,DIR-R 信號(hào)為 1,并且使能信號(hào)是 1,那么三極管 Q1 和 Q4 導(dǎo)通,電流從左至右流經(jīng)電機(jī)(如圖 4.16 所示);如果 DIR-L 信號(hào)變?yōu)?1,而 DIR-R 信號(hào)變?yōu)?0,那么 Q2 和 Q3 將導(dǎo)通,電流則反向流過(guò)電機(jī)。
圖 5 使能信號(hào)與方向信號(hào)的使用
實(shí)際使用的時(shí)候,用分立件制作 H 橋式是很麻煩的,好在現(xiàn)在市面上有很多封裝好的 H 橋集成電路,接上電源、電機(jī)和控制信號(hào)就可以使用了,在額定的電壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠。比如常用的 L293D、L298N、TA7257P、SN754410 等。
三、MOS 管 H 橋 1、上臂 PMOS,下臂 NMOS 它由 2 個(gè) P 型場(chǎng)效應(yīng)管 Q1、Q2 與 2 個(gè) N 型場(chǎng)效應(yīng)管 Q3、Q3 組成,所以它叫 P-NMOS 管 H 橋。 橋臂上的 4 個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于四個(gè)開(kāi)關(guān),P 型管在柵極為低電平時(shí)導(dǎo)通,高電平時(shí)關(guān)閉;N 型管在柵極為高電平時(shí)導(dǎo)通,低電平時(shí)關(guān)閉。場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制型元件,柵極通過(guò)的電流幾乎為“零”。 正因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn),在連接好下圖電路后,控制臂 1 置高電平(U=VCC)、控制臂 2 置低電平(U=0)時(shí),Q1、Q4 關(guān)閉,Q2、Q3 導(dǎo)通,電機(jī)左端低電平,右端高電平,所以電流沿箭頭方向流動(dòng)。設(shè)為電機(jī)正轉(zhuǎn)。
圖 6 控制臂 1 高電平,控制臂 2 低電平,正轉(zhuǎn)
控制臂 1 置低電平、控制臂 2 置高電平時(shí),Q2、Q3 關(guān)閉,Q1、Q4 導(dǎo)通,電機(jī)左端高電平,右端低電平,所以電流沿箭頭方向流動(dòng)。設(shè)為電機(jī)反轉(zhuǎn)。
圖 7 控制臂 1 低電平,控制臂 2 高電平,反轉(zhuǎn)
當(dāng)控制臂 1、2 均為低電平時(shí),Q1、Q2 導(dǎo)通,Q3、Q4 關(guān)閉,電機(jī)兩端均為高電平,電機(jī)不轉(zhuǎn);當(dāng)控制臂 1、2 均為高電平時(shí),Q1、Q2 關(guān)閉,Q3、Q4 導(dǎo)通,電機(jī)兩端均為低電平,電機(jī)也不轉(zhuǎn),所以,此電路有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是無(wú)論控制臂狀態(tài)如何(絕不允許懸空狀態(tài)),H 橋都不會(huì)出現(xiàn)“共態(tài)導(dǎo)通”(短路)。
2、4 個(gè) N 型場(chǎng)效應(yīng)管的 H 橋
另外還有 4 個(gè) N 型場(chǎng)效應(yīng)管的 H 橋,內(nèi)阻更小,有“共態(tài)導(dǎo)通”現(xiàn)象,柵極驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜,或用專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片,如 MC33883,原理基本相似,不再贅述。下面是由與非門(mén) CD4011 組成的柵極驅(qū)動(dòng)電路,因?yàn)閱纹瑱C(jī)輸出電壓為 0~5V,而我們小車(chē)使用的 H 橋的控制臂需要 0V 或 7.2V 電壓才能使場(chǎng)效應(yīng)管完全導(dǎo)通, PWM 輸入 0V 或 5V 時(shí),柵極驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓為 0V 或 7.2V, 前提是 CD4011 電源電壓為 7.2V 。 切記!!故 CD4011 僅做“電壓放大”之用。之所以用兩級(jí)與非門(mén)是為了與 MC33886 兼容。
兩者結(jié)合就是下面的電路:調(diào)試時(shí)兩個(gè) PWM 輸入端其中一個(gè)接地,另一個(gè)懸空(上拉置 1),電機(jī)轉(zhuǎn)為正常。監(jiān)視 MOS 管溫度,如發(fā)熱立即切斷電源檢查電路。CD4011 的 14 引腳接 7.2V,7引腳接地。
使用時(shí)單片機(jī) PWM 輸出信號(hào):1 路為 PWM 方波信號(hào),另一路為高電平(置 1)。反轉(zhuǎn)亦然。
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