電機(jī)驅(qū)動芯片A4950及H橋電路分析

全面解析電機(jī)驅(qū)動芯片A4950及H橋電路，主要分為以下幾個方面：

一、H橋電路基礎(chǔ)知識

1.原理圖(以全NMOS管為例)

從上圖可看出，此電機(jī)驅(qū)動電路由4個NMOS管構(gòu)成，形如H型，故名為H橋電路。通過控制4個MOS管的導(dǎo)通與截止達(dá)到對中間電機(jī)的不同控制效果。NMOS管的柵極為高電平時導(dǎo)通，低電平時截止。

2. H橋工作模式

正轉(zhuǎn)模式

當(dāng)Q1、Q4的柵極為高電平，Q2、Q3為低電平時，Q1，Q4導(dǎo)通，如下圖所示，電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)。

反轉(zhuǎn)模式

當(dāng)Q2、Q3的柵極為高電平，Q1、Q4為低電平時，Q2，Q3導(dǎo)通，如下圖所示，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。

3.補(bǔ)充

H橋中絕對不能出現(xiàn)同側(cè)(左側(cè)/右側(cè))的FET同時導(dǎo)通的情況，因為這樣會導(dǎo)致電流不經(jīng)過電機(jī)直接到地，(關(guān)注：電路一點通)形成短路!因此在狀態(tài)切換時需要一步一步來，而集成H橋的芯片一般會在內(nèi)部自動解決這個問題(利用死區(qū)控制)，如下圖所示：在正轉(zhuǎn)和制動之間切換時，會有一個過渡狀態(tài)(OFF)。

★此處還需補(bǔ)充一個知識：MOS管的高端與低端驅(qū)動。簡單來說，高端驅(qū)動即MOS管在負(fù)載的高電位一端;相反低端驅(qū)動即MOS管在負(fù)載的低電位一端。如下圖所示：Q1、Q3為高端驅(qū)動，Q2、Q4為低端驅(qū)動。在H橋中也常常被稱為上臂和下臂。

此外，如果對MOS管原理有所了解，則可看出，打開高端NMOS所需的柵極電壓會比打開低端NMOS所需的柵極電壓大很多(要高于驅(qū)動電源電壓)。(因為開啟需要條件Vgs>Vth，而高端MOS導(dǎo)通后的源極電位較高，幾乎接近電源電壓，此時如果柵極電壓仍為電源電壓，則又關(guān)斷)

驅(qū)動電壓越大，轉(zhuǎn)速越快;電流越大，扭矩越大;

當(dāng)扭矩<負(fù)載時，電機(jī)轉(zhuǎn)速會下降，電流上升從而增大扭矩。當(dāng)負(fù)載非常大，電機(jī)帶不動從而停止轉(zhuǎn)動時(堵轉(zhuǎn))，電流達(dá)到最大值，此時需特別注意，很有可能燒壞電機(jī)驅(qū)動。

二、什么是A4950

A4950是美國埃戈羅公司生產(chǎn)的一款單H橋電機(jī)驅(qū)動芯片。因此網(wǎng)上賣的模塊多是使用兩塊芯片以達(dá)到可以控制兩個直流電機(jī)的能力。

提供輸入端子用于利用外部施加的PWM控制信號控制DC電機(jī)的速度和方向。提供內(nèi)部同步整流控制電路以在PWM操作期間降低功耗。

電機(jī)驅(qū)動電壓：8~40V，輸出最大電流可達(dá)3.5A

推薦驅(qū)動頻率：500Hz~30KHz

內(nèi)置過溫保護(hù)，短路保護(hù)和可選擇的過流保護(hù)

三、A4950引腳封裝與功能框圖

圖 3 A4950引腳封裝

圖 4 A4950功能框圖 通過引腳說明和功能框圖可看出，此芯片不同之處有：

只有單H橋，因此引腳較少;

限流比較的參考電壓由外部給出(VREF腳);因此限流值Isense=Vref/10/Rsense。如上面的模塊中，Vref接5V，Rsense為R250精密檢測電阻(0.25Ω)，因此限流值為2A。

當(dāng)IN1和IN2均保持低電平1ms，芯片進(jìn)入待機(jī)模式。而不是通過引腳直接控制。

四、A4950驅(qū)動電路使用說明

圖 6 A4950驅(qū)動電路 驅(qū)動電路接口說明：

1.VM：驅(qū)動模塊的電源，根據(jù)電機(jī)的參數(shù)輸入，實測范圍8~40V;

2.VCC：接5V輸入，不能輸入3.3V，不然會影響性能;

3.GND：接地引腳 控制示例(在以上的3個引腳都接好的情況下)：

任務(wù)1：A電機(jī)正轉(zhuǎn)，占空比50%

方案：電機(jī)A的2個線分別接AOUT1、AOUT2。AIN1接高電平，AIN2接50%的PWM

任務(wù)2：B電機(jī)反轉(zhuǎn)，占空比20%

方案：電機(jī)B的2個線分別接BOUT1、BOUT2。BIN1接20%的PWM，BIN2接高電平

五、A4950邏輯控制

表為最基礎(chǔ)邏輯控制表：

此表可對直流電機(jī)進(jìn)行簡單的驅(qū)動與制動(此時電機(jī)工作于全速狀態(tài)，無速度控制)。

把xIN1和xIN2分別接到單片機(jī)I/O口，xOUT1和xOUT2接到直流電機(jī)兩端。 當(dāng)控制xIN1為1，xIN2為0時，電機(jī)便正轉(zhuǎn)。

再進(jìn)一步便可借助PWM對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，如下表所示：

以xIN1為PWM，xIN2為0為例，電機(jī)在正向轉(zhuǎn)動模式與快衰減模式之間不斷切換。

波形圖類似如下：前面提到，電壓的大小決定直流電機(jī)轉(zhuǎn)速。從第三個圖V12=Vout1-Vout2可看出，加在電機(jī)兩端的電壓變化隨著PWM變化，則其平均值Vave=D*Vcc(D為PWM占空比，VCC為驅(qū)動電壓)也隨著占空比的增大而增大，從而速度也相應(yīng)增加;反之則降低。 PWM的頻率一般選在5k~20kHz。

把上表歸納總結(jié)一下：

1.當(dāng)xIN中有一個恒為低電平，另一個為PWM時:采取正反轉(zhuǎn)與滑動/快衰減，占空比越大，轉(zhuǎn)速越快。

2.當(dāng)xIN中有一個恒為高電平，另一個為PWM時:采取正反轉(zhuǎn)與制動/慢衰減，占空比越小，轉(zhuǎn)速越快。

六、總結(jié)

1.可通過兩個H橋輸出的并聯(lián)控制一個直流電機(jī)，這樣最大驅(qū)動電流可翻倍，這在芯片的數(shù)據(jù)手冊中均有說明;

2.和A4950的體積小，外接元件少，使用簡單;

3.A4950雖然價格稍貴且需兩塊芯片才能實現(xiàn)雙H橋;

4.選擇集成H橋芯片時，需要考慮的參數(shù)有：可承受的工作電流要大于電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流，防止堵轉(zhuǎn)時驅(qū)動芯片燒毀;導(dǎo)通電阻盡可能小，減少芯片的發(fā)熱損耗;

5.A4950所能驅(qū)動的電流最大也就3.5A。對于一些堵轉(zhuǎn)電流十幾安的電機(jī)來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。此時常常采取電橋驅(qū)動+MOS管的方式自行搭建H橋。

審核編輯：湯梓紅