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直流电机的驱动原理(转)

(2010-11-28 16:13:19)
标签:

压降

驱动

直流电机

逻辑控制

供电电压

杂谈

分类: 电路

    直流电机用单片机控制时需要加驱动电路,目的是提供足够大的电流。一般来说,直流电机的驱动主要达林顿管和专用驱动芯片,当然最好是用MOS管自行搭建驱动电路(考虑到电机效率和经济的问题)。达林顿管方便,但是无法控制电机的转向,而驱动芯片则显得比较方便。

   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:

http://www.robotsky.com/d/file/QuDong/QuDQ/2009-04-02/da04c38afeacff515f8a9be17945f50c.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 个开关还可以产生另外 2 个电机的工作状态:
    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:

http://www.robotsky.com/d/file/QuDong/QuDQ/2009-04-02/7e7be4457b2850ebd09ef3886fe3cc4d.jpg

MOS管构成的H桥:

http://www.robotsky.com/d/file/QuDong/QuDQ/2009-04-02/746e3355bc517c215b571967a61c2efc.jpg

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:

http://www.robotsky.com/d/file/QuDong/QuDQ/2009-04-02/944239ac093a8d362549dce4069ca340.jpg


   D882的压降指标如下:

http://www.robotsky.com/d/file/QuDong/QuDQ/2009-04-02/c712d9ab22be1b2140726b0b2682783f.jpg

  2301的压降指标如下:

http://www.robotsky.com/d/file/QuDong/QuDQ/2009-04-02/90bb813ce93dc8219d08a21ca67c1352.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:

http://www.robotsky.com/d/file/QuDong/QuDQ/2009-04-02/4c4b6b1c2720f5c792669716dd08bb2b.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:

http://www.robotsky.com/d/file/QuDong/QuDQ/2009-04-02/2ebd0d801ac8258d784e12be835698ef.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 %

    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。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:

http://www.robotsky.com/d/file/QuDong/QuDQ/2009-04-02/db513c78abdba492ce985f864d220f47.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。 

 

 

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