第4章-44-三極管-直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)

電機(jī)的種類控制電機(jī)電動(dòng)機(jī)信號(hào)電機(jī)電機(jī)發(fā)電機(jī)功率電機(jī)伺服電機(jī)步進(jìn)電機(jī)力矩電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)直流電機(jī)交流電機(jī)交直兩用電機(jī)直流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī)速度信號(hào)電機(jī)位置信號(hào)電機(jī)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速和控制，需經(jīng)過(guò)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上就是一個(gè)大功率的放大器。直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路有線性放大驅(qū)動(dòng)型和開關(guān)驅(qū)動(dòng)型。直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)—線性放大處理器D/A轉(zhuǎn)換線性功放控制信號(hào)功率輸出驅(qū)動(dòng)電壓處理器輸出的控制信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器將這個(gè)信號(hào)進(jìn)行線性功率放大后提供給電機(jī)。缺點(diǎn)：由于驅(qū)動(dòng)器上通過(guò)的電流和壓降都比較大，因此這種驅(qū)動(dòng)方式最大的缺點(diǎn)是功耗大，效率低。優(yōu)勢(shì)：由于線性功放不存在高頻的開關(guān)動(dòng)作，因此輸出電壓平穩(wěn)，與PWM等開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式相比，電磁干擾和噪聲要小得多。直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)—開關(guān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)處理器光電隔離大功率晶體管PWM信號(hào)功率輸出PWM信號(hào)晶體管將恒定的直流電源轉(zhuǎn)換成一定的方波電壓加在電機(jī)電樞上。優(yōu)點(diǎn)：與線性驅(qū)動(dòng)方式不同，該方式下，晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí)，器件的電流很大但壓降卻很小；器件關(guān)斷時(shí)，壓降很大電流卻很小。因此這種驅(qū)動(dòng)方式功耗小，效率高。通過(guò)控制開關(guān)的頻率和脈寬，可以對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行控制。直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)—PWM方式PWM全稱是脈沖寬度調(diào)制。采用PWM進(jìn)行電機(jī)的調(diào)速控制，實(shí)際上是保持加在電機(jī)電樞上的脈沖電壓頻率不變，調(diào)節(jié)其脈沖寬度。電機(jī)是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，它的電樞電流和轉(zhuǎn)速均不能突變，很高頻率的PWM波加在電機(jī)上，效果相當(dāng)于施加一個(gè)恒定電壓的直流電，這個(gè)電壓可以由脈沖的寬度調(diào)節(jié)。圍繞PWM還有許多其他的調(diào)速方式，如PFM(脈沖頻率調(diào)節(jié))、SPWM、隨機(jī)PWM等。H橋驅(qū)動(dòng)電路原理

圖中所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“H橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。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：該圖只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動(dòng)電路沒有畫出來(lái)）。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。

如圖所示，因?yàn)樵茧娐吩谕庥^上與字母H相似，所以該電路稱為H橋電路。H橋電路主要目的是提供大電流的回路，用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于普通控制器IO口的輸出電流能力有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的要求，IO口通過(guò)控制相應(yīng)器件來(lái)間接控制大電流。

圖中通過(guò)三極管簡(jiǎn)單介紹下H橋工作原理。當(dāng)Q1基極低電平時(shí)，Q2基極低電平時(shí)導(dǎo)通時(shí)，Q3基極高電平，Q4基極高電平時(shí)，電流流向如圖所示。當(dāng)要控制電機(jī)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)通Q3與Q2，Q1與Q4不導(dǎo)通，這樣就實(shí)現(xiàn)反向控制。圖H橋電路左邊電路圖存在三個(gè)問(wèn)題：1、控制時(shí)，當(dāng)Q1、Q2或者Q3、Q4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，就會(huì)使電源直接連接到地，使電路短路，產(chǎn)生大電流，損壞器件。2、由于電機(jī)線圈存在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，沒有加二極管進(jìn)行保護(hù)，器件容易損壞，參考電路如圖1-2所示。3、三極管的PN結(jié)電阻較大，當(dāng)電流經(jīng)過(guò)時(shí)功耗大。

圖

加二極管保護(hù)H橋電路改進(jìn)電路方向：1、使用場(chǎng)效應(yīng)管代替三極管，能得到更小的損耗，更大的電流，且場(chǎng)效應(yīng)管易于集成，內(nèi)部已經(jīng)有二極管，不必額外增加。分立元件電路如下左圖所示。2、控制時(shí)，避免Q1、Q2同時(shí)導(dǎo)通造成短路。為了解決電路短路問(wèn)題，可以與數(shù)字門電路搭配使用，如下右圖所示。通過(guò)門電路，可以在硬件電路上保證Q1與Q2、Q3與Q4不同時(shí)導(dǎo)通，造成短路。圖MOS管H橋電路H橋驅(qū)動(dòng)電路原理下圖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)與門和2個(gè)非門。4個(gè)與門同一個(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)電路的開關(guān)。而2個(gè)非門通過(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。具有使能控制和方向邏輯的H橋電路H橋驅(qū)動(dòng)電路原理采用以上方法，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)（如圖所示）；如果DIR－L信號(hào)變?yōu)?，而DIR－R信號(hào)變?yōu)?，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過(guò)電機(jī)。

使能信號(hào)與方向信號(hào)的使用實(shí)際使用的時(shí)候，用分立元件制作H橋是很麻煩的，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、MC33886、TA7257P、SN754410、PTS7960等。實(shí)際H橋電路H橋驅(qū)動(dòng)電路原理H橋驅(qū)動(dòng)芯片—L298L298是著名的SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，具有兩套H橋電路。L298內(nèi)置兩個(gè)H橋，每個(gè)橋提供1A的額定工作電流，和最大3A的峰值電流。它能驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)不超過(guò)可樂(lè)罐大小。H橋驅(qū)動(dòng)芯片—L298L298電路原理圖H橋驅(qū)動(dòng)芯片—L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)的幾點(diǎn)心得：1.電機(jī)供電最好和單片機(jī)供電獨(dú)立開來(lái)，中間加光耦隔離。防止電機(jī)通過(guò)回路干擾單片機(jī)。如果非要共用一個(gè)電源，那也要采取一些措施模擬地和數(shù)字地單點(diǎn)共地，采用0歐電阻或磁珠連接；2.元件件的參數(shù)