一開始，驅(qū)動(dòng)電機(jī)似乎是一項(xiàng)簡單的任務(wù)——只需將電機(jī)連接到適當(dāng)?shù)碾妷很墸蜁?huì)開始旋轉(zhuǎn)。但這并不是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的完美方式，尤其是當(dāng)電路中涉及其他組件時(shí)。在這里，我們將討論一種最常用和最有效的驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的方法——H橋電路。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)

您可能會(huì)在愛好者圈子中遇到的用于低功率應(yīng)用的最常見電機(jī)類型是下圖所示的 3V 直流電機(jī)。這種電機(jī)針對兩個(gè) 1.5V 電池的低電壓運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化。

運(yùn)行它就像將它連接到兩個(gè)電池一樣簡單——只要電池連接，電機(jī)就會(huì)立即啟動(dòng)并運(yùn)行。雖然這種設(shè)置適用于微型風(fēng)車或風(fēng)扇等“靜態(tài)”應(yīng)用，但對于機(jī)器人等“動(dòng)態(tài)”應(yīng)用，則需要更高的精度——以變速和扭矩控制的形式。

很明顯，降低電機(jī)兩端的電壓會(huì)降低速度，電池沒電會(huì)導(dǎo)致電機(jī)速度變慢，但如果電機(jī)由多個(gè)設(shè)備共用的軌道供電，則需要適當(dāng)?shù)?a target="_blank">驅(qū)動(dòng)電路。

這甚至可以采用可變線性穩(wěn)壓器（如 LM317 ）的形式——電機(jī)兩端的電壓可以變化以提高或降低速度。如果需要更多電流，可以用幾個(gè)雙極晶體管謹(jǐn)慎地構(gòu)建該電路。這種設(shè)置的最大缺點(diǎn)是效率——就像任何其他負(fù)載一樣，晶體管會(huì)消耗所有不需要的功率。

解決這個(gè)問題的方法是一種稱為PWM或脈沖寬度調(diào)制的方法。在這里，電機(jī)由具有可調(diào)占空比（接通時(shí)間與信號(hào)周期的比率）的方波驅(qū)動(dòng)。傳輸?shù)目偣β逝c占空比成正比。換句話說，電機(jī)只在一小部分時(shí)間內(nèi)通電——因此隨著時(shí)間的推移，電機(jī)的平均功率會(huì)降低。占空比為 0% 時(shí)，電機(jī)關(guān)閉（無電流流動(dòng)）；占空比為 50% 時(shí)，電機(jī)以一半功率（電流消耗的一半）運(yùn)行，100% 表示最大電流消耗時(shí)的全功率。

這是通過連接電機(jī)高端并使用 N 溝道 MOSFET 驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，該 MOSFET 再次由 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)。

這有一些有趣的含義——可以使用 12V 電源使用低占空比驅(qū)動(dòng) 3V 電機(jī)，因?yàn)殡姍C(jī)只看到平均電壓。通過精心設(shè)計(jì)，無需單獨(dú)的電機(jī)電源。

如果我們需要反轉(zhuǎn)電機(jī)的方向怎么辦？這通常通過切換電機(jī)端子來完成，但也可以通過電氣方式完成。

一種選擇是使用另一個(gè)FET和負(fù)電源來切換方向。這需要電機(jī)的一個(gè)端子永久接地，而另一個(gè)端子連接到正電源或負(fù)電源。在這里，MOSFET 的作用類似于 SPDT 開關(guān)。

但是，存在更優(yōu)雅的解決方案。

H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

該電路稱為H 橋，因?yàn)?MOSFET 形成兩個(gè)垂直沖程，電機(jī)形成字母“H”的水平?jīng)_程。它是解決所有電機(jī)驅(qū)動(dòng)問題的簡單而優(yōu)雅的解決方案?？奢p松改變方向，控制速度。

在 H 橋配置中，只有對角相對的 MOSFET 對被激活以控制方向，如下圖所示：

當(dāng)激活一對（對角相反的）MOSFET時(shí)，電機(jī)會(huì)看到電流沿一個(gè)方向流動(dòng)，而當(dāng)另一對MOSFET被激活時(shí)，通過電機(jī)的電流會(huì)反轉(zhuǎn)方向。

MOSFET 可以保持開啟以實(shí)現(xiàn)全功率或 PWM ed 以進(jìn)行功率調(diào)節(jié)或關(guān)閉以讓電機(jī)停止。激活底部和頂部 MOSFET（但不能同時(shí)激活）會(huì)使電機(jī)制動(dòng)。

所需組件

對于 H 橋

直流電機(jī)

2x IRF3205 N 溝道 MOSFET 或同等產(chǎn)品

2x IRF5210 P 溝道 MOSFET 或同等產(chǎn)品

2x 10K 電阻（下拉）

2x 100uF 電解電容（去耦）

2x 100nF 陶瓷電容器（去耦）

對于控制電路

1x 555 定時(shí)器（任何變體，最好是 CMOS）

1x TC4427 或任何合適的柵極驅(qū)動(dòng)器

2x 1N4148 或任何其他信號(hào)/超快二極管

1x 10K 電位器（定時(shí)）

1x 1K 電阻（定時(shí)）

4.7nF電容（定時(shí)）

4.7uF電容（去耦）

100nF 陶瓷電容（去耦）

10uF電解電容（去耦）

單刀雙擲開關(guān)

簡單 H 橋電路原理圖

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了理論，是時(shí)候動(dòng)手做一個(gè) H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器了。該電路具有足夠的功率來驅(qū)動(dòng)高達(dá) 20A 和 40V 的中型電機(jī)，具有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和散熱片。一些功能已被簡化，例如使用單刀雙擲開關(guān)來控制方向。

此外，為簡單起見，高端 MOSFET 為 P 溝道。通過適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路（帶自舉），也可以使用 N 溝道 MOSFET。

使用 MOSFET 的 H 橋的完整電路圖如下所示：

工作說明

1. 555定時(shí)器

定時(shí)器是一個(gè)簡單的555 電路，它產(chǎn)生大約 10% 到 90% 的占空比。頻率由 R1、R2 和 C2 設(shè)置。首選高頻以減少可聽見的嗚嗚聲，但這也意味著需要更強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)器。占空比由電位器 R2 控制。

2. 柵極驅(qū)動(dòng)器

柵極驅(qū)動(dòng)器是標(biāo)準(zhǔn)的兩通道 TC4427，每通道具有 1.5A 的灌電流/拉電流。在這里，兩個(gè)通道已并聯(lián)以獲得更多驅(qū)動(dòng)電流。同樣，如果頻率更高，則柵極驅(qū)動(dòng)器需要更強(qiáng)大。

SPDT 開關(guān)用于選擇控制方向的 H 橋橋臂。

3. H橋

這是控制電機(jī)的電路的工作部分。MOSFET 柵極通常被下拉電阻拉低。這導(dǎo)致兩個(gè) P 溝道 MOSFET 都打開，但這不是問題，因?yàn)闆]有電流可以流動(dòng)。當(dāng) PWM 信號(hào)加到一條腿的柵極時(shí)，N 和 P 溝道 MOSFET 交替開啟和關(guān)閉，從而控制功率。

H橋電路結(jié)構(gòu)技巧

該電路的最大優(yōu)點(diǎn)是它可以擴(kuò)展以驅(qū)動(dòng)各種尺寸的電機(jī)，而不僅僅是電機(jī)——任何其他需要雙向電流信號(hào)的東西，比如正弦波逆變器。

即使在低功率下使用此電路時(shí)，也必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)木植咳ヱ睿悄Ｍ娐烦霈F(xiàn)故障。

此外，如果在 PCB 等更永久的平臺(tái)上構(gòu)建此電路，則建議使用大的接地層，使低電流部分遠(yuǎn)離高電流路徑。

因此，這個(gè)簡單的 H 橋電路可以解決許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)問題，例如雙向、電源管理和效率。