H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

1、本文摘自：？機(jī)器人探索？一、H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖4.12中所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“I橋式驅(qū)動(dòng)電路是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰o4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是 H中的橫杠注意：圖 4.12及隨后的兩個(gè)圖都只是示意圖， 而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動(dòng)電路沒有畫岀來。如下圖，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括 4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極 管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。圖4.12 H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如，如圖4.13所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)

2、通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng) Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)周圍的箭頭指 示為順時(shí)針方向。QiQi圖4.13 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 圖4.14所示為另一對(duì)三極管 Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)周圍的箭頭表 示為逆時(shí)針方向。+ +圖4.14 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)二、使能控制和方向邏輯驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證 H橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要。

3、如果三極管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極。此時(shí)，電路中除了三極管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能到達(dá)最大值該電流僅受電源性能限制，甚至燒壞三極管?；谏鲜鲈?，在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。圖4.155所示就是基于這種考慮的改良電路，它在根本H橋電路的根底上增加了 4個(gè)與門和2個(gè)非門。4個(gè)與門同一個(gè) 使能導(dǎo)通信號(hào)相接，這樣，用這一個(gè)信號(hào)就能控制整個(gè)電路的開關(guān)。而2個(gè)非門通過提供一種方向輸人，可以保證任何時(shí)候在 H橋的同側(cè)腿上都只有一個(gè)三極管能導(dǎo)通。與本節(jié)前面的示意圖一樣， 圖4.15所示也不是一個(gè)完整的電路圖，特別是圖中與門

4、和三極管直接連接是不能正常工作的。Aa A圖4.15具有使能控制和方向邏輯的H橋電路采用以上方法，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就只需要用三個(gè)信號(hào)控制：兩個(gè)方向信號(hào)和一個(gè)使能信號(hào)。如果DIR- L信號(hào)為0，DIR- R信號(hào)為1，并且使能信號(hào)是1,那么三極管 Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機(jī)如圖 4.16 所示；如果DIR- L信號(hào)變?yōu)?，而DIR- R信號(hào)變?yōu)?，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流那么反向流過電機(jī)。0圖4.16使能信號(hào)與方向信號(hào)的使用實(shí)際使用的時(shí)候，用分立件制作H橋式是很麻煩的，好在現(xiàn)在市面上有很多封裝好的H橋集成電路，接上電源、電機(jī)和控制信號(hào)就可以使用了， 在額定的電壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠。比方

5、常用的L293DL298N、TA7257P SN754410等。在典型H型驅(qū)動(dòng)電路 的根底上，給出了增加兩只二極管保護(hù)驅(qū)動(dòng)管的改良電路，并對(duì)其原理和特點(diǎn)進(jìn)行了分析和討論 驅(qū)動(dòng)電路的性能很大程度上影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。有許多問題需要慎重設(shè)計(jì)，例如, 導(dǎo)通延時(shí)、泵升保護(hù)、過壓過流保護(hù)、開關(guān)頻率、附加電感的選擇等。開關(guān)頻率和主回路附加電感的選擇力矩波動(dòng)也即電流波動(dòng)，由系統(tǒng)設(shè)計(jì)給定的力矩波動(dòng)指標(biāo)為 I/IN,對(duì)有刷直流電動(dòng)機(jī)而言，通常在 (510)% 左右。為了便于分析可認(rèn)為 I/IN= l/(Us/Rd) (1)式中Rd為電樞回路總電阻。代入前面各種驅(qū)動(dòng)控制方式的表達(dá)式中，消去 Us，可求出：對(duì)于

6、單極性控制 Ld/Rd 5T2.5T(可逆或不可逆)(2)對(duì)于雙極性控制Ld/Rd 10T5T 3式中 T 為功率開關(guān)的開關(guān)周期。對(duì)于有刷直流電動(dòng)機(jī)， 電磁時(shí)間常數(shù) Ld/Rd 一般在 10ms 至幾十毫秒。 假設(shè)采用 GTR， 開關(guān)頻率可取 2KHz 左右， T=0.5ms 。假設(shè)采用 IGBT ，開關(guān)頻率可取 18KHz 以上，所以上 式均能滿足。 假設(shè)采用 GTO 或可控硅功率器件， 由于工作頻率只有 100Hz 左右， 此時(shí)應(yīng)考 慮在主回路附加電抗器，且Ld=Lf+La (4)對(duì)不可逆系統(tǒng)還應(yīng)進(jìn)一步檢查臨界電流，laL=UsT/8Ld 45(is; tr, ts1.5 str, ts為

7、10 s左右。光電耦合器與后續(xù)電路結(jié)合就能構(gòu)成前置驅(qū)動(dòng)電路，如圖5所示。這個(gè)前置驅(qū)動(dòng)電路的上升延時(shí)tr3.9聲，關(guān)斷延時(shí)ts 1.6 ys,可以在中等功率系統(tǒng)中使用。圖5前置驅(qū)動(dòng)電路為了對(duì)功率開關(guān)提供最正確前置驅(qū)動(dòng)， 現(xiàn)在已有很多專用的前置驅(qū)動(dòng)模塊。 這種驅(qū)動(dòng)模 塊對(duì)功率開關(guān)提供理想前置驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 保證功率開關(guān)迅速導(dǎo)通， 迅速關(guān)斷，對(duì)功率開關(guān)的飽 和深度進(jìn)行最正確控制， 對(duì)功率開關(guān)的過電流、 過熱進(jìn)行檢測和保護(hù)。 例如，EX356、EX840防直通導(dǎo)通延時(shí)電路對(duì)H橋驅(qū)動(dòng)電路上下橋臂功率晶體管加互補(bǔ)信號(hào)，由于帶載情況下，晶體管的關(guān)斷時(shí) 間通常比開通時(shí)間長，這樣，例如當(dāng)下橋臂晶體管未及時(shí)關(guān)斷，而上橋臂搶先開通時(shí)就出現(xiàn)所謂橋臂直通故障。橋臂直通時(shí)電流迅速變大，造成功率開關(guān)損壞。所以設(shè)置導(dǎo)通延時(shí)， 是必不可少的。圖 6是導(dǎo)通延時(shí)電路及其波形。圖6導(dǎo)通延時(shí)電路及波形導(dǎo)通延時(shí)，有時(shí)也稱死區(qū)時(shí)間，可通過RC時(shí)間常數(shù)來設(shè)置；對(duì) GTR可按0.2卩s/A來設(shè)置；對(duì) MOSFET可按0.10.2設(shè)計(jì)，且與電流無關(guān)，IGBT可按25“設(shè)計(jì)。舉例說明，假設(shè)為 GTR , f=5kHz，雙極性工作，調(diào)寬區(qū)域?yàn)門/2=1/10=0.1ms。假設(shè)I=100A，那么 t=0.2X100=20 ys,那么PWM調(diào)制分辨率最大可能性為(T/2) t=0.1/0.02=5 (5)這說明死