直流电机H桥驱动方式.docx

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直流电机H桥驱动方式

2013年08月01日

睡神耗子文档

直流电机H桥驱动

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2013.08.01

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睡神耗子

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直流电机H桥驱动方案

背景

此问题一直想留给做小车的同学去研讨，期望他们在制作过程中能够悟出其中的道理。

可无奈等至今日也未见一文半字:

（却接到了无数的质询：

你为何要用分立元件构建H桥驱动？

为何不选择L298集成电路桥？

为何要使用MOS管？

等等……，逐个回复太累了，只好整理一下，汇总于此，供参考，有不妥之处望指正，更望能有人提出进一步的分析。

分析内容界定

本文只涉及有刷直流电机H桥驱动部分的电路，不讨论如何控制H桥？

如何实现PWM？

以及如何实现过流保护等；而且主要讨论构成H桥4个桥臂对性能的影响。

H桥原理简述

所谓H桥驱动电路是为了直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如下：

从图中可以看出，其形状类似于字母“H”，而作为负载的直流电机是像“桥”一样架在上面的，所以称之为“H桥驱动”。

4个开关所在位置就称为“桥臂”。

从电路中不难看出，假设开关A、D接通，电机为正向转动，则开关B、C接通时，直流电机将反向转动。

从而实现了电机的正反向驱动。

借助这4个开关还可以产生电机的另外2个工作状态：

A）刹车——将B、D开关（或A、C）接通，则电机惯性转动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作用。

B）惰行——4个开关全部断开，则电机惯性所产生的电势将无法形成电路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时间。

以上只是从原理上描述了H桥驱动，而实际应用中很少用开关构成桥臂，通常使用晶体管，因为控制更为方便，速度寿命都长于有接点的开关（继电器）。

细分下来，晶体管有双极性和MOS管之分，而集成电路只是将它们集成而已，其实质还是这两种晶体管，只是为了设计、使用方便、可靠而做成了一块电路。

双极性晶体管构成的H桥：

MOS管构成的H桥：

以下就分析一下这些电路的性能差异。

典型H桥驱动电路分析

分析之前，首先要确定H桥要关注那些性能：

A）效率——所谓驱动效率高，就是要将输入的能量尽量多的输出给负载，而驱动电路本身最好不消耗或少消耗能量，具体到H桥上，也就是4个桥臂在导通时最好没有压降，越小越好。

B）安全性——不能同侧桥臂同时导通；

C）电压——能够承受的驱动电压；

D）电流——能够通过的驱动电流。

大致如此，仔细考量，指标B）似乎不是H桥本身的问题，而是控制部分要考虑的。

而后两个指标通过选择合适参数的器件就可以达到，只要不是那些特别大的负载需求，每种器件通常都能选择到。

而且，小车应用中所能遇到的电流、电压更是有限。

只有指标A）是由不同器件的性能所决定的，而且是运行中最应该关注的指标，因为它直接影响了电机驱动的效率。

所以，经分析的重点放在效率上，也就是桥臂的压降上。

为了使分析简单，便于比较，将H桥的驱动电流定位在2A水平上，而电压在5-12V之间。

选择三个我所涉及到的器件：

A）双极性晶体管——D772、D882

B）MOS管——2301、2302

C）集成电路H桥——L298

D772的压降指标如下：

D882的压降指标如下：

2301的压降指标如下：

因为MOS管是以导通电阻来衡量的，需要换算一下，小车的控制电压是4.5V，按上面的导通电阻计算，2A的压降应该是：

2*0.093=0.186V，最大是：

2*0.13=0.26V。

2302的压降指标如下：

同上换算一下，小车的控制电压是4.5V（电池电压），按上面的导通电阻计算，2A的压降应该是：

2*0.045=0.09V，最大是：

2*0.06=0.12V。

L298的压降指标如下：

表中第一行为上桥臂的压降，对应D772、2301，第二行为下桥臂的压降，对应D882、2302，第三行为两者之和。

对比一下不难看出，如果均以2A电流驱动计算，三种驱动自身所消耗的功率如下：

D772、D882：

（0.5+0.5）*2=2W

2301、2302：

（0.26+0.12）*2=0.76W

L298：

4.9*2=9.8W

如果以驱动一个4.5V、2A的直流电机为例：

电机得到的功率是：

4.5*2=9W；

用D772、D882则需要供电5.5V，效率为：

9/（5.5*2）=81%；

用2301、2302则需要供电4.88V，效率为：

9/（4.88*2）=92%

用L298则需要供电9.4V，效率为：

9/（9.4*2）=48%

结论不言自明了吧！

从这组数据还可以看出三者的散热需求及其外形差异的原因。

同时解释了圆梦小车开始使用D772、D882驱动时为何选用3V的130电机，因为小车是4节充电电池供电，只有4.8~5V，H桥压降1V，所以只能使用3V的电机。

而改用MOS管驱动后，就选用了4.5V的N20电机，因为MOS管只带来了0.4V不到的压降。

而分析L298的压降你就会知道，如果你的电机需要2A左右的启动电流，那使用5V是根本无法工作的。

有一个同学托我代购了一片L298，结果回去后说是电机只抖动不转，我问他使用几伏电压，他告诉我5V:

（我只好请他仔细阅读L298的资料。

实际上使用L298不只是驱动压降限制了电机的供电电压，它的控制电平要求也使得你几乎无法使用低于6V的工作电压，看如下信息：

表中Vs为电机驱动的供电电压（L298分2路供电，一路是电机驱动的，就是H桥上的，一路是供给逻辑电路的），ViH是指逻辑控制输入高电平。

此参数的含义是，电机驱动电压必须大于逻辑控制电平2.5V，如果你的逻辑部分使用5V供电，那电机的供电电压至少7.5V，否则将无法保证正常工作。

除非你将逻辑控制电平降低。

很多同学用的都是L298，建议你们仔细分析一下，看看自己的设计是否符合L298手册所规定的工作条件，也许很多现象都能自己解释了。

结语

制作小车只是一个过程，如果不能从过程中学到知识、锻炼技能，那即便小车做好了，也无价值。

而阅读资料、看懂器件手册是一个工程技术人员最基本的素质。

有同学说，这些手册都是英文的:

（可无奈啊!

这些东西都是人家设计、制造的，等到你们进入社会后，让世界上一半以上的器件都源自中国，那也许你们的后代不会再有此困惑。

可目前，你们如果要从事此行，是无法回避阅读英文资料的！

现在有金山词霸，应该方便多了

小车直流电机H桥驱动方案的选择

做机器小车，最常用的是直流电机驱动，为了实现电机的正反转，需要用H桥电路。

关于H桥电路的选择，南京“嵌入之梦”写过一篇很有用的对比文章，强烈推荐初学者阅读：

嵌入之梦——关于直流电机H桥驱动方案的选择

这里简单总结一下：

L928N

首先要否决的是大家用的最多的一个H桥驱动芯片：

L928N

是的，这个芯片是很简单，很便宜，而且很容易买到，一个芯片里面就集成了2路的H桥电路，还带PWM控制和电流采集。

但是它有2个严重的缺点：

1）手册要求电机驱动电压要比控制逻辑电压高2.5V。

不适合单电源供电的小车。

而实际上我们做的小车为了维护方便和减轻重量，往往需要单电源供电。

在H桥电路上的损耗太大了。

我以前用环奇的遥控车改造的小车车体，7.2V供电，用玩具车上原来的三极管H桥（B772+D882），电机电流可以达到380mA，小车跑的飞快；改用L298N驱动之后，小车明显慢了很多，测试电机电流只有210mA。

而根据“嵌入之梦”的文章计算，驱动一个4.5V/2A的直流电机，L298N的损耗居然超过50%！

当然这个芯片是否可用，还要看场合：

如果你的小车采用双电源供电，电机驱动电源大于12V，而且不在乎在H桥上的损耗，那么采用L298N吧。

如果你的小车采用单电源供电，或者电机驱动电压在5V左右，比较在乎驱动电路的效率，那么还是考虑其他方案吧。

2.三极管H桥

最简单实用的电路，我拆了几辆玩具车，用的都是三极管H桥电路。

小功率的采用8550+8050的桥：

电流较大的采用D772+D882的桥：

以上电路不但简单便宜，而且效率很高。

8550+8050的桥在5V供电，驱动100mA左右的小电机时，桥上的压降小于0.5V。

D772+D882的桥在7.2V供电，200-300mA的电流下，压降不到1V。

3.MOS管桥

MOS管效率肯定是最高的。

但是存在两个问题：

1）MOS管比较脆弱，使用时候需要非常注意，例如导通切换的时候要仔细研究时序，否则容易造成桥直通，烧毁MOS管；

2）大功率的MOS管门极需要比较高的驱动电压，否则不能正常导通，所以用电池驱动时，还需要加升压电路等。

MOS桥电路，我还没有实际使用过，所以不做评论。

用分立元件搭的H桥，虽然比较实用，但是DIY的话太麻烦了，电路复杂，用一大堆的零件，要么自己做PCB，要么飞一大堆的线。

制作小车的乐趣都消耗在一个简单的驱动电路上了，所以个人不喜欢使用分立器件。

4.电机驱动集成块

1）最常用的L298N。

分析如上，不实用。

2）网上查到一些MOS管的H桥驱动IC，例如东芝的TB6612FNG，但是不容易买到。

3）LMD18200，也是MOS管桥，带PWM，最大电流3A。

淘宝价格18元，每片里面只有1路电机驱动。

4）最近发现一个好东西：

LG9910电机驱动芯片（山寨版本也有叫L9910的）。

把一个三极管的H桥集成在一个8脚的IC里面，使用简单。

价格便宜，淘宝上才卖3块钱一片。

而且很容易买到。

一些要求不高的场合，推荐使用这个芯片。

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