直流電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)方式

1、2013年08月01日睡神耗子文檔直流電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)基本信息修改歷史時(shí)間內(nèi)容修改者2013.08.01創(chuàng)建睡神耗子目錄資料來(lái)源1詳細(xì)資料2附錄3資料來(lái)源發(fā)表時(shí)間資料作者作者單位聯(lián)系方式來(lái)源方式資料用途資料關(guān)鍵字備注1直流電機(jī) H 橋驅(qū)動(dòng)方案背景此問(wèn)題一直想留給做小車的同學(xué)去研討，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，逐個(gè)回復(fù)太累了，只好整理一下，匯總于此，供參考，有不妥之處望指正，更望能有人提出進(jìn)一步的分析。分析內(nèi)容界定本文只涉及有刷直流

2、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。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)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，所以稱之為“ H 橋驅(qū)動(dòng)”。4個(gè)開(kāi)關(guān)所在位置就稱為“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

3、 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”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)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：MOS管構(gòu)成的 H 橋：以下就分析一下這些電路的性能差異。典

4、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

5、運(yùn)行中最應(yīng)該關(guān)注的指標(biāo)，因?yàn)樗苯佑绊懥穗姍C(jī)驅(qū)動(dòng)的效率。所以，經(jīng)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)電流定位在 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、D882B） MOS管 2301、2302C） 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。2

6、302的壓降指標(biāo)如下：同上換算一下，小車的控制電壓是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如果以驅(qū)動(dòng)一個(gè) 4.5V

7、 、2A 的直流電機(jī)為例：電機(jī)得到的功率是： 4.5 *2 = 9W；用 D772、D882 則需要供電 5.5V，效率為： 9/（5.5*2）= 81% ；用 2301、2302 則需要供電 4.88V， 效率為：9 /（4.88*2）= 92%用 L298 則需要供電 9.4V ，效率為： 9/（9.4*2） = 48 %結(jié)論不言自明了吧！從這組數(shù)據(jù)還可以看出三者的散熱需求及其外形差異的原因。同時(shí)解釋了圓夢(mèng)小車開(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≤囀?節(jié)充電電池供電，只有4.8 5V，H 橋壓降 1V，所以只能使用 3V 的電機(jī)。而改用MOS管驅(qū)動(dòng)

8、后，就選用了 4.5V 的 N20 電機(jī)，因?yàn)?MOS 管只帶來(lái)了0.4V不到的壓降。而分析L298 的壓降你就會(huì)知道，如果你的電機(jī)需要2A左右的啟動(dòng)電流，那使用5V是根本無(wú)法工作的。有一個(gè)同學(xué)托我代購(gòu)了一片 L298，結(jié)果回去后說(shuō)是電機(jī)只抖動(dòng)不轉(zhuǎn)，我問(wèn)他使用幾伏電壓，他告訴我 5V : ( 我只好請(qǐng)他仔細(xì)閱讀 L298 的資料。實(shí)際上使用 L298 不只是驅(qū)動(dòng)壓降限制了電機(jī)的供電電壓，它的控制電平要求也使得你幾乎無(wú)法使用低于 6V 的工作電壓，看如下信息：表中Vs 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的供電電壓（ L298 分 2 路供電，一路是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，就是 H 橋上的，一路是供給邏輯電路的），ViH 是指邏輯控

9、制輸入高電平。此參數(shù)的含義是，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓必須大于邏輯控制電平 2.5V，如果你的邏輯部分使用 5V 供電，那電機(jī)的供電電壓至少 7.5V，否則將無(wú)法保證正常工作。除非你將邏輯控制電平降低。很多同學(xué)用的都是 L298，建議你們仔細(xì)分析一下，看看自己的設(shè)計(jì)是否符合 L298 手冊(cè)所規(guī)定的工作條件，也許很多現(xiàn)象都能自己解釋了。結(jié)語(yǔ)制作小車只是一個(gè)過(guò)程，如果不能從過(guò)程中學(xué)到知識(shí)、鍛煉技能，那即便小車做好了，也無(wú)價(jià)值。而閱讀資料、看懂器件手冊(cè)是一個(gè)工程技術(shù)人員最基本的素質(zhì)。有同學(xué)說(shuō)，這些手冊(cè)都是英文的: ( 可無(wú)奈啊! 這些東西都是人家設(shè)計(jì)、制造的，等到你們進(jìn)入社會(huì)后，讓世界上一半以上的器件都源自中國(guó)

10、，那也許你們的后代不會(huì)再有此困惑。可目前，你們?nèi)绻獜氖麓诵?，是無(wú)法回避閱讀英文資料的！現(xiàn)在有金山詞霸，應(yīng)該方便多了小車直流電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)方案的選擇做機(jī)器小車，最常用的是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，需要用H橋電路。關(guān)于H橋電路的選擇，南京“嵌入之夢(mèng)”寫(xiě)過(guò)一篇很有用的對(duì)比文章，強(qiáng)烈推薦初學(xué)者閱讀：嵌入之夢(mèng)關(guān)于直流電機(jī) H 橋驅(qū)動(dòng)方案的選擇這里簡(jiǎn)單總結(jié)一下：L928N首先要否決的是大家用的最多的一個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)芯片：L928N是的，這個(gè)芯片是很簡(jiǎn)單，很便宜，而且很容易買(mǎi)到，一個(gè)芯片里面就集成了2路的H橋電路，還帶PWM控制和電流采集。但是它有2個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)：1）手冊(cè)要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓要比控制邏輯電

11、壓高2.5V。不適合單電源供電的小車。而實(shí)際上我們做的小車為了維護(hù)方便和減輕重量，往往需要單電源供電。在H橋電路上的損耗太大了。我以前用環(huán)奇的遙控車改造的小車車體，7.2V供電，用玩具車上原來(lái)的三極管H橋（B772+D882），電機(jī)電流可以達(dá)到380mA，小車跑的飛快；改用L298N驅(qū)動(dòng)之后，小車明顯慢了很多，測(cè)試電機(jī)電流只有210mA。而根據(jù)“嵌入之夢(mèng)”的文章計(jì)算，驅(qū)動(dòng)一個(gè)4.5V/2A的直流電機(jī)，L298N的損耗居然超過(guò)50%！當(dāng)然這個(gè)芯片是否可用，還要看場(chǎng)合：如果你的小車采用雙電源供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源大于12V，而且不在乎在H橋上的損耗，那么采用L298N吧。如果你的小車采用單電源供電，或

12、者電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓在5V左右，比較在乎驅(qū)動(dòng)電路的效率，那么還是考慮其他方案吧。2.三極管H橋最簡(jiǎn)單實(shí)用的電路，我拆了幾輛玩具車，用的都是三極管H橋電路。小功率的采用8550+8050的橋：電流較大的采用D772+D882的橋：以上電路不但簡(jiǎn)單便宜，而且效率很高。8550+8050的橋在5V供電，驅(qū)動(dòng)100mA左右的小電機(jī)時(shí)，橋上的壓降小于0.5V。D772+D882的橋在7.2V供電，200-300mA的電流下，壓降不到1V。3.MOS管橋MOS管效率肯定是最高的。但是存在兩個(gè)問(wèn)題：1）MOS管比較脆弱，使用時(shí)候需要非常注意，例如導(dǎo)通切換的時(shí)候要仔細(xì)研究時(shí)序，否則容易造成橋直通，燒毀MOS管；2）大功率的MOS管門(mén)極需要比較高的驅(qū)動(dòng)電壓，否則不能正常導(dǎo)通，所以用電池驅(qū)動(dòng)時(shí)，還需要加升壓電路等。MOS橋電路，我還沒(méi)有實(shí)際使用過(guò)，所以不做評(píng)論。用分立元件搭的H橋，雖然比較實(shí)用，但是DIY的話太麻煩了，電路復(fù)雜，用一大堆的零件，要么自己做PCB，要么飛一大堆的線。制作小車的樂(lè)趣都消耗在一個(gè)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路上了，所以個(gè)人不喜歡使用分立器件。4.電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成塊1）最常用的L298N。分析如上，不實(shí)用。2）網(wǎng)上查到一些M