第4章-44-三極管-直流電機驅(qū)動

電機的種類控制電機電動機信號電機電機發(fā)電機功率電機伺服電機步進電機力矩電機無刷直流電機直流電機交流電機交直兩用電機直流發(fā)電機交流發(fā)電機速度信號電機位置信號電機對直流電機進行調(diào)速和控制，需經(jīng)過直流電機的驅(qū)動電路。驅(qū)動電路實際上就是一個大功率的放大器。直流電機的驅(qū)動電路有線性放大驅(qū)動型和開關(guān)驅(qū)動型。直流電機的驅(qū)動電機直流電機的驅(qū)動—線性放大處理器D/A轉(zhuǎn)換線性功放控制信號功率輸出驅(qū)動電壓處理器輸出的控制信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為電壓信號，驅(qū)動器將這個信號進行線性功率放大后提供給電機。缺點：由于驅(qū)動器上通過的電流和壓降都比較大，因此這種驅(qū)動方式最大的缺點是功耗大，效率低。優(yōu)勢：由于線性功放不存在高頻的開關(guān)動作，因此輸出電壓平穩(wěn)，與PWM等開關(guān)驅(qū)動方式相比，電磁干擾和噪聲要小得多。直流電機的驅(qū)動—開關(guān)驅(qū)動電機處理器光電隔離大功率晶體管PWM信號功率輸出PWM信號晶體管將恒定的直流電源轉(zhuǎn)換成一定的方波電壓加在電機電樞上。優(yōu)點：與線性驅(qū)動方式不同，該方式下，晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)。當器件導(dǎo)通時，器件的電流很大但壓降卻很小；器件關(guān)斷時，壓降很大電流卻很小。因此這種驅(qū)動方式功耗小，效率高。通過控制開關(guān)的頻率和脈寬，可以對電機的轉(zhuǎn)動進行控制。直流電機的驅(qū)動—PWM方式PWM全稱是脈沖寬度調(diào)制。采用PWM進行電機的調(diào)速控制，實際上是保持加在電機電樞上的脈沖電壓頻率不變，調(diào)節(jié)其脈沖寬度。電機是一個慣性環(huán)節(jié)，它的電樞電流和轉(zhuǎn)速均不能突變，很高頻率的PWM波加在電機上，效果相當于施加一個恒定電壓的直流電，這個電壓可以由脈沖的寬度調(diào)節(jié)。圍繞PWM還有許多其他的調(diào)速方式，如PFM(脈沖頻率調(diào)節(jié))、SPWM、隨機PWM等。H橋驅(qū)動電路原理

圖中所示為一個典型的直流電機控制電路。電路得名于“H橋驅(qū)動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠（注意：該圖只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動電路沒有畫出來）。圖所示，H橋式電機驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。

如圖所示，因為原始電路在外觀上與字母H相似，所以該電路稱為H橋電路。H橋電路主要目的是提供大電流的回路，用來驅(qū)動電機。由于普通控制器IO口的輸出電流能力有限，遠遠滿足不了電機驅(qū)動的要求，IO口通過控制相應(yīng)器件來間接控制大電流。

圖中通過三極管簡單介紹下H橋工作原理。當Q1基極低電平時，Q2基極低電平時導(dǎo)通時，Q3基極高電平，Q4基極高電平時，電流流向如圖所示。當要控制電機方向轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)通Q3與Q2，Q1與Q4不導(dǎo)通，這樣就實現(xiàn)反向控制。圖H橋電路左邊電路圖存在三個問題：1、控制時，當Q1、Q2或者Q3、Q4同時導(dǎo)通時，就會使電源直接連接到地，使電路短路，產(chǎn)生大電流，損壞器件。2、由于電機線圈存在感應(yīng)電動勢，沒有加二極管進行保護，器件容易損壞，參考電路如圖1-2所示。3、三極管的PN結(jié)電阻較大，當電流經(jīng)過時功耗大。

圖

加二極管保護H橋電路改進電路方向：1、使用場效應(yīng)管代替三極管，能得到更小的損耗，更大的電流，且場效應(yīng)管易于集成，內(nèi)部已經(jīng)有二極管，不必額外增加。分立元件電路如下左圖所示。2、控制時，避免Q1、Q2同時導(dǎo)通造成短路。為了解決電路短路問題，可以與數(shù)字門電路搭配使用，如下右圖所示。通過門電路，可以在硬件電路上保證Q1與Q2、Q3與Q4不同時導(dǎo)通，造成短路。圖MOS管H橋電路H橋驅(qū)動電路原理下圖就是基于這種考慮的改進電路，它在基本H橋電路的基礎(chǔ)上增加了4個與門和2個非門。4個與門同一個“使能”導(dǎo)通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關(guān)。而2個非門通過提供一種方向輸人，可以保證任何時候在H橋的同側(cè)腿上都只有一個三極管能導(dǎo)通。具有使能控制和方向邏輯的H橋電路H橋驅(qū)動電路原理采用以上方法，電機的運轉(zhuǎn)就只需要用三個信號控制：兩個方向信號和一個使能信號。如果DIR－L信號為0，DIR－R信號為1，并且使能信號是1，那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機（如圖所示）；如果DIR－L信號變?yōu)?，而DIR－R信號變?yōu)?，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過電機。

使能信號與方向信號的使用實際使用的時候，用分立元件制作H橋是很麻煩的，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、電機和控制信號就可以使用了，在額定的電壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、MC33886、TA7257P、SN754410、PTS7960等。實際H橋電路H橋驅(qū)動電路原理H橋驅(qū)動芯片—L298L298是著名的SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，具有兩套H橋電路。L298內(nèi)置兩個H橋，每個橋提供1A的額定工作電流，和最大3A的峰值電流。它能驅(qū)動的馬達不超過可樂罐大小。H橋驅(qū)動芯片—L298L298電路原理圖H橋驅(qū)動芯片—L298電機驅(qū)動的幾點心得：1.電機供電最好和單片機供電獨立開來，中間加光耦隔離。防止電機通過回路干擾單片機。如果非要共用一個電源，那也要采取一些措施模擬地和數(shù)字地單點共地，采用0歐電阻或磁珠連接；2.元件件的參數(shù)