使用MOSFET的H橋電機驅(qū)動電路

一開始，驅(qū)動電機似乎是一項簡單的任務(wù)——只需將電機連接到適當?shù)碾妷很?，它就會開始旋轉(zhuǎn)。但這并不是驅(qū)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(qū)動直流電機的方法——H橋電路。

電機驅(qū)動

您可能會在愛好者圈子中遇到的用于低功率應(yīng)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(yōu)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(shè)置適用于微型風(fēng)車或風(fēng)扇等“靜態(tài)”應(yīng)用，但對于機器人等“動態(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，降低電機兩端的電壓會降低速度，電池沒電會導(dǎo)致電機速度變慢，但如果電機由多個設(shè)備共用的軌道供電，則需要適當?shù)?a target="_blank">驅(qū)動電路。

這甚至可以采用可變線性穩(wěn)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(gòu)建該電路。這種設(shè)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(diào)制的方法。在這里，電機由具有可調(diào)占空比（接通時間與信號周期的比率）的方波驅(qū)動。傳輸?shù)目偣β逝c占空比成正比。換句話說，電機只在一小部分時間內(nèi)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(guān)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(qū)動來實現(xiàn)的，該 MOSFET 再次由 PWM 信號驅(qū)動。

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 3V 電機，因為電機只看到平均電壓。通過精心設(shè)計，無需單獨的電機電源。

如果我們需要反轉(zhuǎn)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(guān)。

但是，存在更優(yōu)雅的解決方案。

H橋電機驅(qū)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?jīng)_程。它是解決所有電機驅(qū)動問題的簡單而優(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(zhuǎn)方向。

MOSFET 可以保持開啟以實現(xiàn)全功率或 PWM ed 以進行功率調(diào)節(jié)或關(guān)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(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 定時器（任何變體，最好是 CMOS）

1x TC4427 或任何合適的柵極驅(qū)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(guān)

簡單 H 橋電路原理圖

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了理論，是時候動手做一個 H 橋電機驅(qū)動器了。該電路具有足夠的功率來驅(qū)動高達 20A 和 40V 的中型電機，具有適當?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?shù)尿?qū)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(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大的柵極驅(qū)動器。占空比由電位器 R2 控制。

2. 柵極驅(qū)動器

柵極驅(qū)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(lián)以獲得更多驅(qū)動電流。同樣，如果頻率更高，則柵極驅(qū)動器需要更強大。

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 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(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)點是它可以擴展以驅(qū)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?shù)木植咳ヱ睿悄Ｍ娐烦霈F(xiàn)故障。

此外，如果在 PCB 等更永久的平臺上構(gòu)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(qū)動問題，例如雙向、電源管理和效率。