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场效应管电机驱动word资料10页
场效应管电机驱动-MOS管H桥原理
时间:
2010-09-16 来源:
作者:
Liang110034@126 点击:
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【大 中 小】
所谓的H桥电路就是控制电机正反转的。
下图就是一种简单的H桥电路,它由2个P型场效应管Q1、Q2与2个N型场效应管Q3、Q3组成,所以它叫P-NMOS管H桥。
桥臂上的4个场效应管相当于四个开关,P型管在栅极为低电平时导通,高电平时关闭;N型管在栅极为高电平时导通,低电平时关闭。
场效应管是电压控制型元件,栅极通过的电流几乎为“零”。
正因为这个特点,在连接好下图电路后,控制臂1置高电平(U=VCC)、控制臂2置低电平(U=0)时,Q1、Q4关闭,Q2、Q3导通,电机左端低电平,右端高电平,所以电流沿箭头方向流动。
设为电机正转。
控制臂1置低电平、控制臂2置高电平时,Q2、Q3关闭,Q1、Q4导通,电机左端高电平,右端低电平,所以电流沿箭头方向流动。
设为电机反转。
当控制臂1、2均为低电平时,Q1、Q2导通,Q3、Q4关闭,电机两端均为高电平,电机不转;
当控制臂1、2均为高电平时,Q1、Q2关闭,Q3、Q4导通,电机两端均为低电平,电机也不转,
所以,此电路有一个优点就是无论控制臂状态如何(绝不允许悬空状态),H桥都不会出现“共态导通”(短路),很适合我们使用。
(另外还有4个N型场效应管的H桥,内阻更小,有“共态导通”现象,栅极驱动电路较复杂,或用专用驱动芯片,如MC33883,原理基本相似,不再赘述。
)
下面是由与非门CD4011组成的栅极驱动电路,因为单片机输出电压为0~5V,而我们小车使用的H桥的控制臂需要0V或7.2V电压才能使场效应管完全导通,PWM输入0V或5V时,栅极驱动电路输出电压为0V或7.2V,前提是CD4011电源电压为7.2V。
切记!
!
故CD4011仅做“电压放大”之用。
之所以用两级与非门是为了与MC33886兼容。
两者结合就是下面的电路:
调试时两个PWM输入端其中一个接地,另一个悬空(上拉置1),电机转为正常。
监视MOS管温度,如发热立即切断电源检查电路。
CD4011的14引脚接7.2V,7引脚接地。
关于直流电机H桥驱动方案的选择
一、背景
本文一直想留给做小车的同学去写,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……,我回复的太累了,只好将其整理一下,供大家参考,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个开关还可以产生另外2个电机的工作状态:
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=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。
希望以上资料对你有所帮助,附励志名言3条:
1、生气,就是拿别人的过错来惩罚自己。
原谅别人,就是善待自己。
2、未必钱多乐便多,财多累己招烦恼。
清贫乐道真自在,无牵无挂乐逍遥。
3、处事不必求功,无过便是功。
为人不必感德,无怨便是德。
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