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直流调速器-直流电机H桥驱动方案的选择

作者:志成时间:2012-03-01 09:10来源:哈尔滨汇丰电子 浏览: LOGING....

关于直流电机 H 桥驱动方案的选择

一、 背景

此问题一直想留给做小车的同学去研讨,期望他们在制作过程中能够悟出其中的道理。可无奈等至今日也未见一文半字 : ( 却接到了无数的质询:你为何要用分立元件构建 H 桥驱动?为何不选择 L298 集成电路桥?为何要使用 MOS 管?等等……,逐个回复太累了,只好整理一下,汇总于此,供参考,有不妥之处望指正,更望能有人提出进一步的分析。

二、 分析内容界定

本文只涉及有刷直流电机 H 桥驱动部分的电路,不讨论如何控制 H 桥?如何实现 PWM?以及如何实现过流保护等;而且主要讨论构成 H 桥 4 个桥臂对性能的影响。

三、H桥原理简述

所谓 H 桥驱动电路是为了直流电机而设计的一种常见电路,它主要实现直流电机的正反向驱动,其典型电路形式如下:


从图中可以看出,其形状类似于字母“H”,而作为负载的直流电机是像“桥”一样架在上面的,所以称之为“ H 桥驱动”。4个开关所在位置就称为“桥臂”。

从电路中不难看出,假设开关 A、D接通,电机为正向转动,则开关B、C接通时,直流电机将反向转动。从而实现了电机的正反向驱动。

借助这 4 个开关还可以产生电机的另外 2 个工作状态:
A) 刹车 —— 将B 、D开关(或A、C)接通,则电机惯性转动产生的电势将被短路,形成阻碍运动的反电势,形成“刹车”作用。

B) 惰行 —— 4个开关全部断开,则电机惯性所产生的电势将无法形成电路,从而也就不会产生阻碍运动的反电势,电机将惯性转动较长时间。

以上只是从原理上描述了H 桥驱动,而实际应用中很少用开关构成桥臂,通常使用晶体管,因为控制更为方便,速度寿命都长于有接点的开关(继电器)。

细分下来,晶体管有双极性和MOS管之分,而集成电路只是将它们集成而已,其实质还是这两种晶体管,只是为了设计、使用方便、可靠而做成了一块电路。

双极性晶体管构成的 H 桥:

MOS管构成的 H 桥:

 

以下就分析一下这些电路的性能差异。


四、几种典型 H 桥驱动电路分析

分析之前,首先要确定 H 桥要关注那些性能:
A) 效率 —— 所谓驱动效率高,就是要将输入的能量尽量多的输出给负载,而驱动电路本身最好不消耗或少消耗能量,具体到H桥上,也就是4个桥臂在导通时最好没有压降,越小越好。

B) 安全性 —— 不能同侧桥臂同时导通;

C) 电压 —— 能够承受的驱动电压;

D) 电流 —— 能够通过的驱动电流。

大致如此,仔细考量,指标 B)似乎不是H桥本身的问题,而是控制部分要考虑的。

而后两个指标通过选择合适参数的器件就可以达到,只要不是那些特别大的负载需求,每种器件通常都能选择到。而且,小车应用中所能遇到的电流、电压更是有限。

只有指标 A)是由不同器件的性能所决定的,而且是运行中最应该关注的指标,因为它直接影响了电机驱动的效率。

所以,经分析的重点放在效率上,也就是桥臂的压降上。

为了使分析简单,便于比较,将 H 桥的驱动电流定位在 2A 水平上,而电压在 5 - 12V 之间。

选择三个我所涉及到的器件:

A) 双极性晶体管 —— D772、D882

B) MOS管 —— 2301、2302

C) 集成电路H桥 —— L298

D772的压降指标如下:


D882的压降指标如下:

2301的压降指标如下:



因为MOS管是以导通电阻来衡量的,需要换算一下,小车的控制电压是4.5V,按上面的导通电阻计算,2A的压降应该是: 2* 0.093 = 0.186V,最大是:2 * 0.13 = 0.26V。

2302的压降指标如下:



同上换算一下,小车的控制电压是4.5V(电池电压),按上面的导通电阻计算,2A的压降应该是: 2* 0.045 = 0.09V,最大是:2 * 0.06 = 0.12V。

L298的压降指标如下:



表中第一行为上桥臂的压降,对应D772、2301,第二行为下桥臂的压降,对应D882、2302,第三行为两者之和。

对比一下不难看出,如果均以2A电流驱动计算,三种驱动自身所消耗的功率如下:

D772、D882 : (0.5+0.5)* 2 = 2 W

2301、2302: (0.26+0.12) * 2 = 0.76 W

L298: 4.9 * 2 = 9.8 W

如果以驱动一个 4.5V 、2A 的直流电机为例:

电机得到的功率是: 4.5 *2 = 9W;

用 D772、D882 则需要供电 5.5V,效率为: 9/(5.5*2)= 81% ;

用 2301、2302 则需要供电 4.88V, 效率为:9 /(4.88*2)= 92%

用 L298 则需要供电 9.4V ,效率为: 9/(9.4*2) = 48 %

结论不言自明了吧!

从这组数据还可以看出三者的散热需求及其外形差异的原因。

同时解释了圆梦小车开始使用 D772、D882 驱动时为何选用 3V 的 130 电机 ,因为小车是4节充电电池供电,只有4.8 ~ 5V,H 桥压降 1V,所以只能使用 3V 的电机。

而改用MOS管驱动后,就选用了 4.5V 的 N20 电机,因为 MOS 管只带来了0.4V不到的压降。

而分析L298 的压降你就会知道,如果你的电机需要2A左右的启动电流,那使用5V是根本无法工作的。

有一个同学托我代购了一片 L298,结果回去后说是电机只抖动不转,我问他使用几伏电压,他告诉我 5V : ( 我只好请他仔细阅读 L298 的资料。

实际上使用 L298 不只是驱动压降限制了电机的供电电压,它的控制电平要求也使得你几乎无法使用低于 6V 的工作电压,看如下信息:


表中Vs 为电机驱动的供电电压( L298 分 2 路供电,一路是电机驱动的,就是 H 桥上的,一路是供给逻辑电路的),ViH 是指逻辑控制输入高电平。

此参数的含义是,电机驱动电压必须大于逻辑控制电平 2.5V,如果你的逻辑部分使用 5V 供电,那电机的供电电压至少 7.5V,否则将无法保证正常工作。除非你将逻辑控制电平降低。

很多同学用的都是 L298,建议你们仔细分析一下,看看自己的设计是否符合 L298 手册所规定的工作条件,也许很多现象都能自己解释了。

五、结语

制作小车只是一个过程,如果不能从过程中学到知识、锻炼技能,那即便小车做好了,也无价值。而阅读资料、看懂器件手册是一个工程技术人员最基本的素质。

有同学说,这些手册都是英文的: ( 可无奈啊! 这些东西都是人家设计、制造的,等到你们进入社会后,让世界上一半以上的器件都源自中国,那也许你们的后代不会再有此困惑。

可目前,你们如果要从事此行,是无法回避阅读英文资料的!现在有金山词霸,应该方便多了 ^_^

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