關(guān)于直流電機 H 橋驅(qū)動方案的選擇

1、關(guān)于直流電機 H 橋驅(qū)動方案的選擇一、背景本文一直想留給做小車的同學去寫,期望他們在制作過程中能夠悟出其中的道理。可無奈等至今日也未見一文半字,卻接到了無數(shù)的質(zhì)詢:你為何要用分立元件構(gòu)建 H橋驅(qū)動?為何不選擇 L298 集成電路橋?為何要使用MOS管?等等,我回復的太累了,只好將其整理一下,供大家參考,有不妥之處望指正,更望能有人提出進一步的分析。二、分析內(nèi)容界定本文只涉及有刷直流電機 H 橋驅(qū)動部分的電路,不討論如何控制 H 橋?如何實現(xiàn)PWM,以及如何實現(xiàn)過流保護等。而且主要討論構(gòu)成H橋4個橋臂對性能的影響。三、H橋原理簡述所謂 H 橋驅(qū)動電路是為了直流電機而設計的一種常見電路,它主要實現(xiàn)

2、直流電機的正反向驅(qū)動,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”,而作為負載的直流電機是像“橋”一樣架在上面的,所以稱之為“ H 橋驅(qū)動”。4個開關(guān)所在位置就稱為“橋臂”。從電路中不難看出,假設開關(guān) A、D接通,電機為正向轉(zhuǎn)動,則開關(guān)B、C接通時,直流電機將反向轉(zhuǎn)動。從而實現(xiàn)了電機的正反向驅(qū)動。借助這 4 個開關(guān)還可以產(chǎn)生電機的另外 2 個工作狀態(tài):A剎車 將B 、D開關(guān)(或A、C接通,則電機慣性轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電勢將被短路,形成阻礙運動的反電勢,形成“剎車”作用。B惰行 4個開關(guān)全部斷開,則電機慣性所產(chǎn)生的電勢將無法形成電路,從而也就不會產(chǎn)生阻礙運動的反電勢,電機將慣性轉(zhuǎn)動較長時

3、間。以上只是從原理上描述了H 橋驅(qū)動,而實際應用中很少用開關(guān)構(gòu)成橋臂,通常使用晶體管,因為控制更為方便,速度壽命都長于有接點的開關(guān)(繼電器。細分下來,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,其實質(zhì)還是這兩種晶體管,只是為了設計、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)動效率高,就是要將輸入的能量盡量多的輸出給負載,而驅(qū)動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個橋臂在導通時最好沒有壓降,越小越好。B安全性 不能同側(cè)橋臂

4、同時導通;C電壓 能夠承受的驅(qū)動電壓;D電流 能夠通過的驅(qū)動電流。大致如此,仔細考量,指標B似乎不是H橋本身的問題,而是控制部分要考慮的,而后兩個指標通過選擇合適參數(shù)的器件就可以達到,只要不是那些特別大的負載需求,每種器件通常都能選擇到。而且,小車應用中所能遇到的電流、電壓更是有限。只有指標A是由不同器件的性能所決定的,而且是運行中最應該關(guān)注的指標,因為它直接影響了小車的效率。所以,將分析的重點放在效率上,也就是橋臂的壓降上。為了使分析簡單,便于比較,將H橋的驅(qū)動定位在 2A水平上,而電壓在5-12V之間。選擇三個我所涉及到的器件:A雙極性晶體管 D772、D882BMOS管 2301、230

5、2C集成電路H橋 L298D772的壓降指標如下: D882的壓降指標如下: 2301的壓降指標如下: 因為MOS管是以導通電阻來衡量的,需要換算一下,小車的控制電壓是4.5V,按上面的導通電阻計算,2A的壓降應該是: 2* 0.093 = 0.186V,最大是:2 * 0.13 = 0.26V。2302的壓降指標如下: 同上換算一下,小車的控制電壓是4.5V(電池電壓,按上面的導通電阻計算,2A的壓降應該是: 2* 0.045 = 0.09V,最大是:2 * 0.06 = 0.12V。L298的壓降指標如下: 表中第一行為上橋臂的壓降,對應D772、2301,第二行為下橋臂的壓降,對應D882、2302,第三行為兩者之和。對比一下不難看出,如果均以2A電流驅(qū)動計算,三種驅(qū)動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計道理了。這里也就解釋了圓夢小車開始使用D772、D882驅(qū)動時為何選用3V的130 電機 ,因為小車是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