DIY H桥电机驱动器

描述

从机器人到自动驾驶汽车都使用电机。您必须考虑在您的项目中添加电机以使其具有可操作性。一开始，驱动电机似乎很容易。只需添加一个电机，将其适当地连接到电压轨即可。但是当您同时使用多个组件时，这并不是使用电机的完美方式。因此，我们使用电机驱动器。你可以在市场上买到它们，但在这里我们将学习它们是如何工作的，以及我们如何在家里制作它们。

电机驱动器

您可能遇到的最常见的电机类型是 3V 直流电机，它们经过优化以在低电压下工作。这些电机对爱好者友好且成本低廉。

运行它们非常简单。只需将它们与两节 1.5 V AA 电池连接，它们就会启动。此设置适用于制作风扇或微型风车等简单作品。但是当涉及到机器人等动态应用时，就需要更高的精度——以可变速度和扭矩的形式。

我们可以降低输入源的电压来降低电机的速度。这很直观！但是如果电机连接到公共电压源，我们需要一个电路来使用适当的驱动电路来改变电压。

LM317 等可变线性稳压器可用于增加或减少电压，如果需要，可以添加一些双极晶体管以增加电流供应。但这样做的最大缺点是晶体管会耗散功率，驱动器的效率会降低。

解决此问题的方法是 PWM 或带调制的脉冲。此处，电机由具有可调占空比（接通时间与信号周期之比）的方波驱动。传递的总功率与占空比成正比。在其他周期中，电机只在一小部分时间段内通电——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，而 100% 表示最大电流消耗下的全功率。

这是通过连接电机高端并使用 N 沟道 MOSFET 驱动它来实现的，该 N 沟道 MOSFET 再次由 PWM 信号驱动。

N 沟道 PWM 电机驱动器

 

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？这通常是通过切换电机端子来完成的，但也可以通过电动方式完成。

一种选择是使用另一个FET和一个负电源来切换方向。这需要电机的一个端子永久接地，而另一个连接到正电源或负电源。在这里，MOSFET 就像一个 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 形成两个垂直笔划，电机形成字母表“H”的水平笔划。它是解决所有电机驱动问题的简单而优雅的解决方案。方向可以轻松改变，速度可以控制。

在 H 桥配置中，只有对角线相对的 MOSFET 对被激活以控制方向，如下图所示：

 

当激活一对（对角线相对的）MOSFET 时，电机会看到电流沿一个方向流动，而当另一对被激活时，通过电机的电流会反转方向。

MOSFET 可以保持开启以获得全功率或 PWM-ed 以进行功率调节或关闭以使电机停止。同时激活底部和顶部 MOSFET（但绝不会同时激活）会制动电机。

所需组件

对于 H 桥

• 直流电机
• 2x IRF3205 N 沟道 MOSFET 或同等产品
• 2 个 IRF5210 P 沟道 MOSFET 或同等产品
• 2x 10K 电阻（下拉）
• 2x 100uF 电解电容（去耦）
• 2 个 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（时序）
• 4.7nF 电容（时序）
• 4.7uF电容（去耦）
• 100nF 陶瓷电容（去耦）
• 10uF电解电容（去耦）
• 单刀双掷开关

简单 H 桥电路的原理图

现在我们已经了解了理论，是时候动手构建一个 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，并且具有适当的结构和散热器。某些功能已得到简化，例如使用SPDT 开关来控制方向。

此外，为简单起见，高侧 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。

这个使用 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，可产生大约 10% 到 90% 的占空比。频率由 R1、R2 和 C2 设置。高频是减少噪音的首选，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。

该电路可以用任何其他 PWM 源替换，例如 Arduino。

2. 栅极驱动器

栅极驱动器是标准的双通道 TC4427 ，每个通道具有 1.5A 灌电流/拉电流。此处，两个通道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 栅极通常由下拉电阻拉低。这会导致两个 P 沟道 MOSFET 导通，但这不是问题，因为没有电流可以流动。当 PWM 信号施加到一条腿的栅极时，N 和 P 沟道 MOSFET 交替打开和关闭，从而控制功率。

H 桥电路构造技巧

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，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，建议使用大接地层，使低电流部分远离高电流路径。

所以这个简单的 H 桥电路是许多电机驱动问题的解决方案，例如双向、电源管理和效率。