電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

您可能遇到的最常見(jiàn)的電機(jī)類(lèi)型是 3V 直流電機(jī)，它們經(jīng)過(guò)優(yōu)化以在低電壓下工作。這些電機(jī)對(duì)愛(ài)好者友好且成本低廉。

運(yùn)行它們非常簡(jiǎn)單。只需將它們與兩節(jié) 1.5 V AA 電池連接，它們就會(huì)啟動(dòng)。此設(shè)置適用于制作風(fēng)扇或微型風(fēng)車(chē)等簡(jiǎn)單作品。但是當(dāng)涉及到機(jī)器人等動(dòng)態(tài)應(yīng)用時(shí)，就需要更高的精度——以可變速度和扭矩的形式。

我們可以降低輸入源的電壓來(lái)降低電機(jī)的速度。這很直觀！但是如果電機(jī)連接到公共電壓源，我們需要一個(gè)電路來(lái)使用適當(dāng)?shù)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>驅(qū)動(dòng)電路來(lái)改變電壓。

LM317 等可變線(xiàn)性穩(wěn)壓器可用于增加或減少電壓，如果需要，可以添加一些雙極晶體管以增加電流供應(yīng)。但這樣做的最大缺點(diǎn)是晶體管會(huì)耗散功率，驅(qū)動(dòng)器的效率會(huì)降低。

解決此問(wèn)題的方法是 PWM 或帶調(diào)制的脈沖。此處，電機(jī)由具有可調(diào)占空比（接通時(shí)間與信號(hào)周期之比）的方波驅(qū)動(dòng)。傳遞的總功率與占空比成正比。在其他周期中，電機(jī)只在一小部分時(shí)間段內(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(wú)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，而 100% 表示最大電流消耗下的全功率。

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

N 溝道 PWM 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

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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(guò)精心設(shè)計(jì)，無(wú)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？這通常是通過(guò)切換電機(jī)端子來(lái)完成的，但也可以通過(guò)電動(dòng)方式完成。

一種選擇是使用另一個(gè)FET和一個(gè)負(fù)電源來(lái)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)連接到正電源或負(fù)電源。在這里，MOSFET 就像一個(gè) SPDT 開(kāi)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

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該電路稱(chēng)為H 橋，因?yàn)?MOSFET 形成兩個(gè)垂直筆劃，電機(jī)形成字母表“H”的水平筆劃。它是解決所有電機(jī)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題的簡(jiǎn)單而優(yōu)雅的解決方案。方向可以輕松改變，速度可以控制。

在 H 橋配置中，只有對(duì)角線(xiàn)相對(duì)的 MOSFET 對(duì)被激活以控制方向，如下圖所示：

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當(dāng)激活一對(duì)（對(duì)角線(xiàn)相對(duì)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(duì)被激活時(shí)，通過(guò)電機(jī)的電流會(huì)反轉(zhuǎn)方向。

MOSFET 可以保持開(kāi)啟以獲得全功率或 PWM-ed 以進(jìn)行功率調(diào)節(jié)或關(guān)閉以使電機(jī)停止。同時(shí)激活底部和頂部 MOSFET（但絕不會(huì)同時(shí)激活）會(huì)制動(dòng)電機(jī)。

所需組件

對(duì)于 H 橋

• 直流電機(jī)
• 2x IRF3205 N 溝道 MOSFET 或同等產(chǎn)品
• 2 個(gè) 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）
• 2 個(gè) 100nF 陶瓷電容器（去耦）

對(duì)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（時(shí)序）
• 4.7nF 電容（時(shí)序）
• 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(kāi)關(guān)

簡(jiǎn)單 H 橋電路的原理圖

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了理論，是時(shí)候動(dòng)手構(gòu)建一個(gè) H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器了。該電路具有足夠的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)高達(dá) 20A 和 40V 的中型電機(jī)，并且具有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和散熱器。某些功能已得到簡(jiǎn)化，例如使用SPDT 開(kāi)關(guān)來(lái)控制方向。

此外，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，高側(cè) MOSFET 為 P 溝道。通過(guò)適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路（帶自舉），也可以使用 N 溝道 MOSFET。

這個(gè)使用 MOSFET 的 H 橋的完整電路圖如下所示：

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工作說(shuō)明

1. 555 定時(shí)器

定時(shí)器是一個(gè)簡(jiǎn)單的 555 電路，可產(chǎn)生大約 10% 到 90% 的占空比。頻率由 R1、R2 和 C2 設(shè)置。高頻是減少噪音的首選，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。

該電路可以用任何其他 PWM 源替換，例如 Arduino。

2. 柵極驅(qū)動(dòng)器

柵極驅(qū)動(dòng)器是標(biāo)準(zhǔn)的雙通道 TC4427 ，每個(gè)通道具有 1.5A 灌電流/拉電流。此處，兩個(gè)通道并聯(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(kāi)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 柵極通常由下拉電阻拉低。這會(huì)導(dǎo)致兩個(gè) P 溝道 MOSFET 導(dǎo)通，但這不是問(wèn)題，因?yàn)闆](méi)有電流可以流動(dòng)。當(dāng) PWM 信號(hào)施加到一條腿的柵極時(shí)，N 和 P 溝道 MOSFET 交替打開(kāi)和關(guān)閉，從而控制功率。

H 橋電路構(gòu)造技巧

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)，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)木植咳ヱ睿?/font>除非您希望電路出現(xiàn)故障。