使用MOSFET的H桥电机驱动电路
发布日期:2022-09-27
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作者：Vivekanand
一开始，驱动电机似乎是一项简单的任务——只需将电机连接到适当的电压轨，它就会开始旋转。但这并不是驱动电机的完美方式，尤其是当电路中涉及其他组件时。在这里，我们将讨论一种最常用和最有效的驱动直流电机的方法——H桥电路。
电机驱动
您可能会在爱好者圈子中遇到的用于低功率应用的最常见电机类型是下图所示的3V直流电机。这种电机针对两个1.5V电池的低电压运行进行了优化。
运行它就像将它连接到两个电池一样简单——只要电池连接，电机就会立即启动并运行。虽然这种设置适用于微型风车或风扇等“静态”应用，但对于机器人等“动态”应用，则需要更高的精度——以变速和扭矩控制的形式。
很明显，降低电机两端的电压会降低速度，电池没电会导致电机速度变慢，但如果电机由多个设备共用的轨道供电，则需要适当的驱动电路。
这甚至可以采用可变线性稳压器（如LM317）的形式——电机两端的电压可以变化以提高或降低速度。如果需要更多电流，可以用几个双极晶体管谨慎地构建该电路。这种设置的最大缺点是效率——就像任何其他负载一样，晶体管会消耗所有不需要的功率。
解决这个问题的方法是一种称为PWM或脉冲宽度调制的方法。在这里，电机由具有可调占空比（接通时间与信号周期的比率）的方波驱动。传输的总功率与占空比成正比。换句话说，电机只在一小部分时间内通电——因此随着时间的推移，电机的平均功率会降低。占空比为0%时，电机关闭（无电流流动）；占空比为50%时，电机以一半功率（电流消耗的一半）运行，100%表示最大电流消耗时的全功率。
这是通过连接电机高端并使用N沟道MOSFET驱动来实现的，该MOSFET再次由PWM信号驱动。
这有一些有趣的含义——可以使用 12V 电源使用低占空比驱动 3V 电机，因为电机只看到平均电压。通过精心设计，无需单独的电机电源。
如果我们需要反转电机的方向怎么办？这通常通过切换电机端子来完成，但也可以通过电气方式完成。
一种选择是使用另一个FET和负电源来切换方向。这需要电机的一个端子永久接地，而另一个端子连接到正电源或负电源。在这里，MOSFET 的作用类似于 SPDT 开关。
但是，存在更优雅的解决方案。H桥电机驱动电路
该电路称为H 桥，因为 MOSFET 形成两个垂直冲程，电机形成字母“H”的水平冲程。它是解决所有电机驱动问题的简单而优雅的解决方案。可轻松改变方向，控制速度。
在 H 桥配置中，只有对角相对的 MOSFET 对被激活以控制方向，如下图所示：
当激活一对（对角相反的）MOSFET时，电机会看到电流沿一个方向流动，而当另一对MOSFET被激活时，通过电机的电流会反转方向。
MOSFET 可以保持开启以实现全功率或 PWM ed 以进行功率调节或关闭以让电机停止。激活底部和顶部 MOSFET（但不能同时激活）会使电机制动。
所需组件
对于 H 桥
直流电机
2x IRF3205 N 沟道 MOSFET 或同等产品
2x IRF5210 P 沟道 MOSFET 或同等产品
2x 10K 电阻（下拉）
2x 100uF 电解电容（去耦）
2x 100nF 陶瓷电容器（去耦）
对于控制电路
1x 555 定时器（任何变体，最好是 CMOS）
1x TC4427 或任何合适的栅极驱动器
2x 1N4148 或任何其他信号/超快二极管
1x 10K 电位器（定时）
1x 1K 电阻（定时）
4.7nF电容（定时）
4.7uF电容（去耦）
100nF 陶瓷电容（去耦）
10uF电解电容（去耦）
正反转马达驱动电路
单通道H桥,持续工作电流1.5A,峰值2.5A.SOP8封装.CST6118
双通道H桥,持续工作电流1.5A,峰值2.5A.SOP16封装.CST6508
单刀双掷开关
简单 H 桥电路原理图
现在我们已经了解了理论，是时候动手做一个 H 桥电机驱动器了。该电路具有足够的功率来驱动高达 20A 和 40V 的中型电机，具有适当的结构和散热片。一些功能已被简化，例如使用单刀双掷开关来控制方向。
此外，为简单起见，高端 MOSFET 为 P 沟道。通过适当的驱动电路（带自举），也可以使用 N 沟道 MOSFET。
使用 MOSFET 的 H 桥的完整电路图如下所示：
工作说明
1. 555定时器
定时器是一个简单的555 电路，它产生大约 10% 到 90% 的占空比。频率由 R1、R2 和 C2 设置。首选高频以减少可听见的呜呜声，但这也意味着需要更强大的栅极驱动器。占空比由电位器 R2 控制。
2. 栅极驱动器
栅极驱动器是标准的两通道 TC4427，每通道具有 1.5A 的灌电流/拉电流。在这里，两个通道已并联以获得更多驱动电流。同样，如果频率更高，则栅极驱动器需要更强大。
SPDT 开关用于选择控制方向的 H 桥桥臂。
3. H桥
这是控制电机的电路的工作部分。MOSFET 栅极通常被下拉电阻拉低。这导致两个 P 沟道 MOSFET 都打开，但这不是问题，因为没有电流可以流动。当 PWM 信号加到一条腿的栅极时，N 和 P 沟道 MOSFET 交替开启和关闭，从而控制功率。
H桥电路结构技巧
该电路的最大优点是它可以扩展以驱动各种尺寸的电机，而不仅仅是电机——任何其他需要双向电流信号的东西，比如正弦波逆变器。
即使在低功率下使用此电路时，也必须进行适当的局部去耦，除非您希望电路出现故障。
此外，如果在 PCB 等更永久的平台上构建此电路，则建议使用大的接地层，使低电流部分远离高电流路径。
因此，这个简单的 H 桥电路可以解决许多电机驱动问题，例如双向、电源管理和效率。
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