智能小车：直流电机 H 桥驱动方案的选择.doc

智能小车:直流电机H桥驱动方案的选择编辑:robotain来源:嵌入式之梦2010-01-09发表评论一、 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: 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: MOS管构成的H桥: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、D882B) MOS管—— 2301、2302C) 集成电路H桥——L298D772的压降指标如下:D882的压降指标如下:2301的压降指标如下:因为MOS管是以导通电阻来衡量的,需要换算一下,,按上面的导通电阻计算,2A的压降应该是:2*=