第4章-44-三极管-直流电机驱动

电机的种类控制电机电动机信号电机电机发电机功率电机伺服电机步进电机力矩电机无刷直流电机直流电机交流电机交直两用电机直流发电机交流发电机速度信号电机位置信号电机对直流电机进行调速和控制，需经过直流电机的驱动电路。驱动电路实际上就是一个大功率的放大器。直流电机的驱动电路有线性放大驱动型和开关驱动型。直流电机的驱动电机直流电机的驱动—线性放大处理器D/A转换线性功放控制信号功率输出驱动电压处理器输出的控制信号经D/A转换为电压信号，驱动器将这个信号进行线性功率放大后提供给电机。缺点：由于驱动器上通过的电流和压降都比较大，因此这种驱动方式最大的缺点是功耗大，效率低。优势：由于线性功放不存在高频的开关动作，因此输出电压平稳，与PWM等开关驱动方式相比，电磁干扰和噪声要小得多。直流电机的驱动—开关驱动电机处理器光电隔离大功率晶体管PWM信号功率输出PWM信号晶体管将恒定的直流电源转换成一定的方波电压加在电机电枢上。优点：与线性驱动方式不同，该方式下，晶体管工作在开关状态。当器件导通时，器件的电流很大但压降却很小；器件关断时，压降很大电流却很小。因此这种驱动方式功耗小，效率高。通过控制开关的频率和脉宽，可以对电机的转动进行控制。直流电机的驱动—PWM方式PWM全称是脉冲宽度调制。采用PWM进行电机的调速控制，实际上是保持加在电机电枢上的脉冲电压频率不变，调节其脉冲宽度。电机是一个惯性环节，它的电枢电流和转速均不能突变，很高频率的PWM波加在电机上，效果相当于施加一个恒定电压的直流电，这个电压可以由脉冲的宽度调节。围绕PWM还有许多其他的调速方式，如PFM(脉冲频率调节)、SPWM、随机PWM等。H桥驱动电路原理

图中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：该图只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

如图所示，因为原始电路在外观上与字母H相似，所以该电路称为H桥电路。H桥电路主要目的是提供大电流的回路，用来驱动电机。由于普通控制器IO口的输出电流能力有限，远远满足不了电机驱动的要求，IO口通过控制相应器件来间接控制大电流。

图中通过三极管简单介绍下H桥工作原理。当Q1基极低电平时，Q2基极低电平时导通时，Q3基极高电平，Q4基极高电平时，电流流向如图所示。当要控制电机方向转动时，导通Q3与Q2，Q1与Q4不导通，这样就实现反向控制。图H桥电路左边电路图存在三个问题：1、控制时，当Q1、Q2或者Q3、Q4同时导通时，就会使电源直接连接到地，使电路短路，产生大电流，损坏器件。2、由于电机线圈存在感应电动势，没有加二极管进行保护，器件容易损坏，参考电路如图1-2所示。3、三极管的PN结电阻较大，当电流经过时功耗大。

图

加二极管保护H桥电路改进电路方向：1、使用场效应管代替三极管，能得到更小的损耗，更大的电流，且场效应管易于集成，内部已经有二极管，不必额外增加。分立元件电路如下左图所示。2、控制时，避免Q1、Q2同时导通造成短路。为了解决电路短路问题，可以与数字门电路搭配使用，如下右图所示。通过门电路，可以在硬件电路上保证Q1与Q2、Q3与Q4不同时导通，造成短路。图MOS管H桥电路H桥驱动电路原理下图就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。具有使能控制和方向逻辑的H桥电路H桥驱动电路原理采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIR－L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图所示）；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。

使能信号与方向信号的使用实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、MC33886、TA7257P、SN754410、PTS7960等。实际H桥电路H桥驱动电路原理H桥驱动芯片—L298L298是著名的SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路，具有两套H桥电路。L298内置两个H桥，每个桥提供1A的额定工作电流，和最大3A的峰值电流。它能驱动的马达不超过可乐罐大小。H桥驱动芯片—L298L298电路原理图H桥驱动芯片—L298电机驱动的几点心得：1.电机供电最好和单片机供电独立开来，中间加光耦隔离。防止电机通过回路干扰单片机。如果非要共用一个电源，那也要采取一些措施模拟地和数字地单点共地，采用0欧电阻或磁珠连接；2.元件件的参数