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直流电机H桥驱动方式
2013年08月01日
睡神耗子文档
直流电机H桥驱动
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2013.08.01
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睡神耗子
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直流电机H桥驱动方案
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。
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。
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。
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=2W
2301、2302:
(0.26+0.12)*2=0.76W
L298:
4.9*2=9.8W
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。
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
小车直流电机H桥驱动方案的选择
做机器小车,最常用的是直流电机驱动,为了实现电机的正反转,需要用H桥电路。
关于H桥电路的选择,南京“嵌入之梦”写过一篇很有用的对比文章,强烈推荐初学者阅读:
嵌入之梦——关于直流电机H桥驱动方案的选择
这里简单总结一下:
L928N
首先要否决的是大家用的最多的一个H桥驱动芯片:
L928N
是的,这个芯片是很简单,很便宜,而且很容易买到,一个芯片里面就集成了2路的H桥电路,还带PWM控制和电流采集。
但是它有2个严重的缺点:
1)手册要求电机驱动电压要比控制逻辑电压高2.5V。
不适合单电源供电的小车。
而实际上我们做的小车为了维护方便和减轻重量,往往需要单电源供电。
在H桥电路上的损耗太大了。
我以前用环奇的遥控车改造的小车车体,7.2V供电,用玩具车上原来的三极管H桥(B772+D882),电机电流可以达到380mA,小车跑的飞快;改用L298N驱动之后,小车明显慢了很多,测试电机电流只有210mA。
而根据“嵌入之梦”的文章计算,驱动一个4.5V/2A的直流电机,L298N的损耗居然超过50%!
当然这个芯片是否可用,还要看场合:
如果你的小车采用双电源供电,电机驱动电源大于12V,而且不在乎在H桥上的损耗,那么采用L298N吧。
如果你的小车采用单电源供电,或者电机驱动电压在5V左右,比较在乎驱动电路的效率,那么还是考虑其他方案吧。
2.三极管H桥
最简单实用的电路,我拆了几辆玩具车,用的都是三极管H桥电路。
小功率的采用8550+8050的桥:
电流较大的采用D772+D882的桥:
以上电路不但简单便宜,而且效率很高。
8550+8050的桥在5V供电,驱动100mA左右的小电机时,桥上的压降小于0.5V。
D772+D882的桥在7.2V供电,200-300mA的电流下,压降不到1V。
3.MOS管桥
MOS管效率肯定是最高的。
但是存在两个问题:
1)MOS管比较脆弱,使用时候需要非常注意,例如导通切换的时候要仔细研究时序,否则容易造成桥直通,烧毁MOS管;
2)大功率的MOS管门极需要比较高的驱动电压,否则不能正常导通,所以用电池驱动时,还需要加升压电路等。
MOS桥电路,我还没有实际使用过,所以不做评论。
用分立元件搭的H桥,虽然比较实用,但是DIY的话太麻烦了,电路复杂,用一大堆的零件,要么自己做PCB,要么飞一大堆的线。
制作小车的乐趣都消耗在一个简单的驱动电路上了,所以个人不喜欢使用分立器件。
4.电机驱动集成块
1)最常用的L298N。
分析如上,不实用。
2)网上查到一些MOS管的H桥驱动IC,例如东芝的TB6612FNG,但是不容易买到。
3)LMD18200,也是MOS管桥,带PWM,最大电流3A。
淘宝价格18元,每片里面只有1路电机驱动。
4)最近发现一个好东西:
LG9910电机驱动芯片(山寨版本也有叫L9910的)。
把一个三极管的H桥集成在一个8脚的IC里面,使用简单。
价格便宜,淘宝上才卖3块钱一片。
而且很容易买到。
一些要求不高的场合,推荐使用这个芯片。
附录
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