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关于直流电机 H 桥驱动方案的选择(转)

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发表于 2011-5-26 21:04:10 | 显示全部楼层 |阅读模式
一、 背景
此问题一直想留给做小车的同学去研讨,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……,逐个回复太累了,只好整理一下,汇总于此,供参考,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:

bjzm-H%20Bridge1.jpg

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 个开关还可以产生电机的另外 2 个工作状态:
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:
bjzm-H%20Bridge2.jpg
MOS管构成的 H 桥:
bjzm-H%20Bridge3.jpg

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:

bjzm-H%20Bridge4.jpg

D882的压降指标如下:
bjzm-H%20Bridge5.jpg
2301的压降指标如下:
bjzm-H%20Bridge6.jpg

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:
bjzm-H%20Bridge7.jpg

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:
bjzm-H%20Bridge8.jpg

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 = 2 W
2301、2302: (0.26+0.12) * 2 = 0.76 W
L298: 4.9 * 2 = 9.8 W
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:
bjzm-H%20Bridge9.jpg

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。
五、结语
制作小车只是一个过程,如果不能从过程中学到知识、锻炼技能,那即便小车做好了,也无价值。而阅读资料、看懂器件手册是一个工程技术人员最基本的素质。
有同学说,这些手册都是英文的: ( 可无奈啊! 这些东西都是人家设计、制造的,等到你们进入社会后,让世界上一半以上的器件都源自中国,那也许你们的后代不会再有此困惑。
可目前,你们如果要从事此行,是无法回避阅读英文资料的!现在有金山词霸,应该方便多了 ^_^
参考资料:
1、长江集团 D772 手册
2、长江集团 D882 手册
3、VISHAY 公司 Si2301ADS 手册
4、VISHAY 公司 Si2302ADS 手册
5、ST公司 L 298 手册

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发表于 2013-4-2 09:21:42 | 显示全部楼层
看了这篇文章对解决我的两轮小车死机的问题很有帮助,以后做硬件一定要好好研究一下硬件手册
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发表于 2013-6-11 20:43:50 | 显示全部楼层
我们机器人考试就考了这个电路的设计,用行程开关!
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发表于 2013-6-29 22:52:37 | 显示全部楼层
好像用L298N的确存在跑不动的现象。那你推荐使用什么模块来驱动直流电机呢?
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发表于 2013-6-30 10:30:25 | 显示全部楼层

http://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.3.w1017-329444981.41.5r5PjH&id=13043412059&
大家看看可以改造一下这个电路,提取其中的电机驱动电路吗?
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发表于 2014-4-18 15:28:47 | 显示全部楼层
  int ln1=34;
int ln2=35;
int ln3=36;
int ln4=37;
void setup()
{
  pinMode(ln1,OUTPUT);
  pinMode(ln2,OUTPUT);
  pinMode(ln3,OUTPUT);
  pinMode(ln4,OUTPUT);
  void ZhiQian();
  void ZhiHou();
  void Zuoqian();
  void Youqian();
  void Zuotui();
  void Youtui();
  void Stop();
}
void ZhiQian()
{
  digitalWrite(ln2,HIGH);
  digitalWrite(ln3,HIGH);
  digitalWrite(ln1,LOW);
  digitalWrite(ln4,LOW);
   delay(2000);
}
void ZhiHou()
{
  digitalWrite(ln1,HIGH);
  digitalWrite(ln4,HIGH);
  digitalWrite(ln2,LOW);
  digitalWrite(ln3,LOW);
    delay(2000);
}
void Zuoqian()
{
  digitalWrite(ln2,HIGH);
  digitalWrite(ln1,LOW);
  digitalWrite(ln3,LOW);
  digitalWrite(ln4,LOW);
  delay(2000);
}
void Youqian()
{
  digitalWrite(ln3,HIGH);
  digitalWrite(ln1,LOW);
  digitalWrite(ln2,LOW);
  digitalWrite(ln4,LOW);
    delay(2000);
}
void Zuotui()
{
digitalWrite(ln2,HIGH);
digitalWrite(ln4,HIGH);
digitalWrite(ln1,HIGH);
digitalWrite(ln4,HIGH);
   delay(2000);
}
void Youtui()
{
  digitalWrite(ln1,HIGH);
  digitalWrite(ln3,HIGH);
  digitalWrite(ln2,LOW);
  digitalWrite(ln4,LOW);
  delay(2000);
}
void Stop()
{
  digitalWrite(ln1,LOW);
  digitalWrite(ln2,LOW);
  digitalWrite(ln3,LOW);
  digitalWrite(ln4,LOW);
  delay(2000);
}
  void loop()
{
  void ZhiQian();
  void Zuoqian();
   void Youqian();
   void ZhiQian();
   void Stop();
  void ZhiHou();
  void Zuotui();
  void Youtui();
}
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发表于 2014-4-18 15:29:53 | 显示全部楼层
这是我的l289N控制小车,楼主能不能画下连线图,5V那块懵了
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发表于 2014-4-20 10:47:39 | 显示全部楼层
我手上没有mos管  用继电器搭了一个桥  感觉真屌丝
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