作者：Vivekanand
一開始，驅動電機似乎是一項簡單的任務——只需將電機連接到適當的電壓軌，它就會開始旋轉。但這并不是驅動電機的完美方式，尤其是當電路中涉及其他組件時。在這里，我們將討論一種最常用和最有效的驅動直流電機的方法——H橋電路。
電機驅動
您可能會在愛好者圈子中遇到的用于低功率應用的最常見電機類型是下圖所示的 3V 直流電機。這種電機針對兩個 1.5V 電池的低電壓運行進行了優化。
運行它就像將它連接到兩個電池一樣簡單——只要電池連接，電機就會立即啟動并運行。雖然這種設置適用于微型風車或風扇等“靜態”應用，但對于機器人等“動態”應用，則需要更高的精度——以變速和扭矩控制的形式。
很明顯，降低電機兩端的電壓會降低速度，電池沒電會導致電機速度變慢，但如果電機由多個設備共用的軌道供電，則需要適當的驅動電路。
這甚至可以采用可變線性穩壓器（如 LM317 ）的形式——電機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，可以用幾個雙極晶體管謹慎地構建該電路。這種設置的最大缺點是效率——就像任何其他負載一樣，晶體管會消耗所有不需要的功率。
解決這個問題的方法是一種稱為PWM或脈沖寬度調制的方法。在這里，電機由具有可調占空比（接通時間與信號周期的比率）的方波驅動。傳輸的總功率與占空比成正比。換句話說，電機只在一小部分時間內通電——因此隨著時間的推移，電機的平均功率會降低。占空比為 0% 時，電機關閉（無電流流動）；占空比為 50% 時，電機以一半功率（電流消耗的一半）運行，100% 表示最大電流消耗時的全功率。
這是通過連接電機高端并使用 N 溝道 MOSFET 驅動來實現的，該 MOSFET 再次由 PWM 信號驅動。
這有一些有趣的含義——可以使用 12V 電源使用低占空比驅動 3V 電機，因為電機只看到平均電壓。通過精心設計，無需單獨的電機電源。
如果我們需要反轉電機的方向怎么辦？這通常通過切換電機端子來完成，但也可以通過電氣方式完成。
一種選擇是使用另一個FET和負電源來切換方向。這需要電機的一個端子永久接地，而另一個端子連接到正電源或負電源。在這里，MOSFET 的作用類似于 SPDT 開關。
但是，存在更優雅的解決方案。
H橋電機驅動電路
該電路稱為H 橋，因為 MOSFET 形成兩個垂直沖程，電機形成字母“H”的水平沖程。它是解決所有電機驅動問題的簡單而優雅的解決方案。可輕松改變方向，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：
當激活一對（對角相反的）MOSFET時，電機會看到電流沿一個方向流動，而當另一對MOSFET被激活時，通過電機的電流會反轉方向。
MOSFET 可以保持開啟以實現全功率或 PWM ed 以進行功率調節或關閉以讓電機停止。激活底部和頂部 MOSFET（但不能同時激活）會使電機制動。
所需組件
對于 H 橋
直流電機
2x IRF3205 N 溝道 MOSFET 或同等產品
2x IRF5210 P 溝道 MOSFET 或同等產品
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 定時器（任何變體，最好是 CMOS）
1x TC4427 或任何合適的柵極驅動器
2x 1N4148 或任何其他信號/超快二極管
1x 10K 電位器（定時）
1x 1K 電阻（定時）
4.7nF電容（定時）
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
簡單 H 橋電路原理圖
現在我們已經了解了理論，是時候動手做一個 H 橋電機驅動器了。該電路具有足夠的功率來驅動高達 20A 和 40V 的中型電機，具有適當的結構和散熱片。一些功能已被簡化，例如使用單刀雙擲開關來控制方向。
此外，為簡單起見，高端 MOSFET 為 P 溝道。通過適當的驅動電路（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定時器
定時器是一個簡單的555 電路，它產生大約 10% 到 90% 的占空比。頻率由 R1、R2 和 C2 設置。首選高頻以減少可聽見的嗚嗚聲，但這也意味著需要更強大的柵極驅動器。占空比由電位器 R2 控制。
2. 柵極驅動器
柵極驅動器是標準的兩通道 TC4427，每通道具有 1.5A 的灌電流/拉電流。在這里，兩個通道已并聯以獲得更多驅動電流。同樣，如果頻率更高，則柵極驅動器需要更強大。
SPDT 開關用于選擇控制方向的 H 橋橋臂。
3. H橋
這是控制電機的電路的工作部分。MOSFET 柵極通常被下拉電阻拉低。這導致兩個 P 溝道 MOSFET 都打開，但這不是問題，因為沒有電流可以流動。當 PWM 信號加到一條腿的柵極時，N 和 P 溝道 MOSFET 交替開啟和關閉，從而控制功率。
H橋電路結構技巧
該電路的最大優點是它可以擴展以驅動各種尺寸的電機，而不僅僅是電機——任何其他需要雙向電流信號的東西，比如正弦波逆變器。
即使在低功率下使用此電路時，也必須進行適當的局部去耦，除非您希望電路出現故障。
此外，如果在 PCB 等更永久的平臺上構建此電路，則建議使用大的接地層，使低電流部分遠離高電流路徑。
因此，這個簡單的 H 橋電路可以解決許多電機驅動問題，例如雙向、電源管理和效率。 |
