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H桥电机驱动电途详解

  电机:俗称“马达”,依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。包括:电动机和发电机。

  电动机在电路中是用字母M表示,它的主要作用是产生驱动转矩;作为用电器或各种机械的动力源,发电机在电路中用字母G表示,它的主要作用是利用机械能转化为电能。

  直流有刷电机(Brushed DC,简称BDC),由于其结构简单,操控方便,成本低廉,具有良好的偏动和调速性能等优势,被广泛应用于各种动力器件中,小到玩具,按钮调节式汽车座椅,大到印刷机械等生产机械中都能看到它的身影。

  直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组,产生电枢电流,电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩,使电机旋转带动负载。

  缺点:由于电刷和换向器的存在,有刷电机的结构复杂,可靠性差,故障多,维护工作量大,寿命短,换向火花易产生电磁干扰。

  步进电机就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构;更通俗一点讲:当步进驱动器接收到个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。我们可以通过控制脉冲的个数来控制电机的角位移量,从而达到精确定位的目的;同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。

  缺点:步进电机存在空载启动频率,所以步进电机可以低速正常运转,但若高于一定速度时就无法启动,并伴有尖锐的啸叫声;同时,步进电机是开环控制,控制精度和速度都没有伺服电机那么高。

  伺服电机广泛应用于各种控制系统中,能将输入的电压信号(或者脉冲数)转换为电机轴上的机械输出量,拖动被控制元件,从而达到控制目的。伺服电机系统见下图。一般地,要求转矩能通过控制器输出的电流进行控制;电机的反应要快、体积要小、控制功率要小。伺服电机主要应用在各种运动控制系统中,尤其是随动系统。

  伺服电机有直流和交流之分,最早的伺服电机是一般的直流有刷电机,在控制精度不高的情况下,才采用一般的直流电机做伺服电机。当前随着永磁同步电机技术的飞速发展,绝大部分的伺服电机是指交流永磁同步伺服电机或者直流无刷电机。

  无刷直流电机【BLDCM】是在有刷直流电机的基础上发展来的,但它的驱动电流是不折不扣的交流。一般地,无刷电机的驱动电流有两种,一种是梯形波(方波),另一种是正弦一般的,把方波驱动的叫做直流无刷电机(BLDC);把正弦波驱动的叫做永磁同步电机(PMSM),这个实际上就是伺服电机。

  直流无刷电机与伺服电机有类似的优缺点。BLDC电机比PMSM电机造价便宜一些,驱动控制方法简单一些。

  电机一般还有一个最小启动电压,就是可以使得电机(无负载)、开始旋转的电压值。为保证电机正常工作,一般需要接到电机两端的电压值范围为:最小启动电压至额定电压。并且在这个电压值范围内才认为转速与电压成正比。

  电机线圈是有铜导线绕线而成的,所以其电机电枢绕组电阻一般都是非常小这样回路中电流一般都是比较大的。这对我们电机驱动设计有很大的影响。

  另外,电机还有一个比较重要的参数:扭矩。简化理解扭矩就是电机可以带动外部部件旋转的力量,在物理上用转矩来描述,单位为:N.m(常用单位有:Kg.cm)。大扭矩可以带动比较重的东西。一般认为:直流电机的扭矩和电流成正比。

  直流电机旋转:给电机两根线供电电机就可以旋转,给正电压电机正转,给相反电压电机反转;电压越大,电机转得越快,电压越小,转速也变小。 一般我们利用STM32单片机可以方便的调整电机速度,但STM32的IO接口电压和电流一般都是非常有限的,电压是3.3V,电流是8mA,所以为方便控制需要在微控制器和电机直接添加驱动电路板,该电机驱动板有两种输入线:电源输入线和控制信号输入线。电源输入线一般要求是可以提供电机额定电源的大电流电源,一般来说电机所需要的电压和额定电流是多少,那么就要给电机驱动板提供多大的电压和电流,它是给电机提供动力的来源。控制信号线与微控制器的信号线连接,是实现调速的方法,一般是PWM的可调方波信号。电机驱动板还有一个输出线,有两个接口,它与直流电机的引脚直接连接。注意,这里的电机驱动板输出线是应该一系列电路之后才输出的,也就是通过输入信号调制后的输出线。机控制都是必须有驱动器的。

  如果不需要正反转控制(单向旋转),可以用下图驱动电路,实现电机单向控速。

  ◆当开关A和D闭合、B和C断开时直流电机正常旋转,记该旋转方向为正方向。 ◆当开关B和C闭合、A和D断开时直流电机正常旋转,记该旋转方向为反方向。 ◆当开关A和C闭合、B和D断开或者当开关B和D闭合、A和C断开时直流电机不旋转。此时可以认为电机处于“刹车”状态,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。 ◆当开关A和B闭合或者当开关C和D闭合时直接电源短路,会烧毁电源,这种情况严禁出现。 ◆当开关A、B、C和D四个开关都断开时候,认为电机处于“惰行”状态,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。

  这样简单的控制开关状态就可以控制电机的选择方向。从上图中可以看到,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”。在电路中可以做电子开关的有三极管和MOS管。可以使用这两种器件代替开关从而实现。

  下面以MOS管搭建的H桥电路解释电机正反转控制。要使电机运转,必须使对角线上的一对MOS管导通。如下图,当Q1管和Q4管导通时(此时必须保Q2和Q3关断),电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机,然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示,该流向的电流将驱动电机顺时针转动。

  另一对MOS管2相Q3导通的时候(此时必须保证Q1和Q4关断),电流从右至左流过电机,从而驱动电机沿逆时针方向转动。驱动电机时,保证H桥两个同侧的MOS管不会同时导通非常重要,如果MOS管Q1和Q2同时导通,那么电流就会从电源正极穿过两个MOS管直接回到负极,此时电路中除了MOS管外没有其它任何负载,因此电路上的电流就达到最大值,烧坏MOS管和电源。Q3和Q4同时导通是同样的道理。

  驱动电机时,保证H桥两个同侧的MOS管不会同时导通非常重要,如果MOS管Q1和Q2同时导通,那么电流就会从电源正极穿过两个MOS管直接回到负极,此时电路中除了MOS管外没有其它任何负载,因此电路上的电流就达到最大值,烧坏MS管和电源。Q3和Q4同时导通是同样的道理。

  简单的开关只能控制电机正反转,引入PWM控制可以实现方向和速度调节。调节占空比实现控速,占空比越大平均电压(电流)越大,速度越快PWM频率一般在10KHz~20KHz之间。频率太低会导致电机转速过低,噪声较大。频率太高,会因为MOS管的开关损耗而降低系统的效率。

  根据不同桥臂的PWM控制方式不同,大致上可以分为三种控制模式:受限单极模式、单极模式、双极模式。

  缺点:不能刹车,不能能耗制动,在负载超过设定速度时不能提供向力矩。调速静差大,调速性能很差,稳定性也不好。

  优点:启动快,能加速,刹车,能耗制动,能量反馈,调速性能不如双极模式好,但是相差不多,电机特性也比较好。在负载超速时也能提供反向力矩。

  缺点:刹车时,不能减速到0,速度接近0速度时没有制动力。不能突然倒转。动态性能不好,调速静差稍大。

  PWM和PWMN是互补的PWM信号,一般用高级控制定时器的通道和互补通道控制。在PWM为高电平时:MOS管1和4都导通,MOS管2和3都截止,电流从电源正极,经过MOS管1,从左到右流过电机、然后经过MOS管4流入电源负极。在PWM为低电平时:MOS管2和4都导通,MOS管1和3都截止,根据楞次定律,存在自感电动势,电流还是从左到右流过电机,经过MOS管4和MOS管2形成电流回路。

  优点:能正反转运行,启动快,调速精度高,动态性能好,调速静差小,调速范围大,能加速,减速,刹车,倒转,能在负载超过设定速度时,提供反向力矩,能克服电机轴承的静态摩擦力,产生非常低的转速。

  缺点:控制电路复杂。在工作期间,4个MOS管都处于工作状态,功率损耗大,电机容易发烫。

  PWM1和PWM1N、PWM2和PWM2N是PWM互补通道。使用高级控制定时器通道和互补通道控制双极模式中,PWM1和PWM2周期相同,占空比相同,极性相反,使得对角线上的两个MOS管同时导通,同时关断。

  H桥中一般使用4个N型MOS管来搭建。不用2个N型MOS管+2个P型MOS管的原因是:P型MOS管难做到高耐压大电流的型号,导通电阻大。同样性能的MOS,N型比P型便宜。

  对于NMOS,当外部给的栅源极Vgs电压大于芯片的Vgs阈值(大部分在2V-10V之间)时,漏极D和源极S之间直接导通。如果外部给的Vgs电压小于阈值,漏极D和源极S之间截止。

  对于下桥臂Q2MOS管可以使用STM32芯片引脚直接控制,因为STM32的PWM高电平是3.3V足够使N-MOS管导通。

  上桥臂Q1 MOS管无法直接使用STM32芯片引脚使其导通,因为假设Q1导通,漏极D和源极S电压几乎相等(Rds非常小),即VA=VCC=24V,这样要求Vg>

  =VA+Vgs=27V。简单来说就是,Vg大于27V,Q1导通,小于27V,Q1截止。所以就需要一个这样的电路:把STM32的3.3VPWM信号升压到27V电压上,这个电路可以用自举电路来实现。

  实际电路设计中,一般把Vgs设置为10~20V,因为这样保证MOS管完全导通。

  还有一个问题当MOS管完全导通时,MOS管的内阻Rds一般来说就比较小在几毫欧,就相当于一根导线。但是当MOS管不完全导通时,也就是说Vgs小于开启电压时,MOS就处于不完全导通状态,那么MOS管的内阻就比较大,而电机驱动板的电流也比较大。那么MOS的发热就会非常严重,很可能会烧坏芯片。

  所谓半桥驱动芯片,便是一块驱动芯片只能用于控制H桥一侧的2个MOS管。因此采用半桥驱动芯片时,需要两块该芯片才能控制一个完整的H桥。

  相应的,全桥驱动芯片便是可以直接控制4个MOS管的导通与截止,一块该芯片便能完成一个完整H桥的控制。

  这里使用的IR2104便是一款半桥驱动芯片,因此在原理图中可以看到每个H桥需要使用两块此芯片。

  IN和SD作为输入控制,可共同控制电机的转动状态(转向、转速和是否转动)。

  HO和LO接到MOS管栅极,分别用于控制上桥臂和下桥臂MOS的导通与截止。

  此部分是理解该芯片的难点,需要进行重点讲解。从上面的典型电路图和最初的设计原理图中均可发现:该芯片在Vcc和VB脚之间接了一个二极管,在VB和VS之间接了一个电容。这便构成了一个自举电路。

  作用:由于负载(电机)相对于上桥臂和下桥臂MOS位置不同,而MOS的开启条件为Vgs>

  Vth,这便会导致想要上桥臂MOS导通,则其栅极对地所需的电压较大。

  因为下桥臂MOS源极接地,想要导通只需要令其栅极电压大于开启电压Vth。而上桥臂MOS源极接到负载,如果上桥臂MOS导通,那么其源极电压将上升到H桥驱动电压也就是MOS的供电电压,此时如果栅极对地电压不变,那么Vgs可能小于Vth,又关断。因此想要使上桥臂MOS导通,必须想办法使其Vgs始终大于或一段时间内大于Vth(即栅极电压保持大于MOS管的电源电压+Vth)。

  下图是IR2104S的内部原理框图。此类芯片的内部原理基本类似,右侧两个栅极控制脚(HO和LO)均是通过一对PMOS和NMOS进行互补控制。

  以下电路图均只画出半桥,另外一半工作原理相同因此省略。假定Vcc=12V,VM=7.4V,MOS管的开启电压Vth=6V(不用LR7843的2.3V)。

  (1)第一阶段:首先给IN输入PWM信号,使HO和LO通过左侧的内部控制电路(使上下两对互补的PMOS和NMOS对应导通),分别输出低电平和高电平。此时外部H桥的上桥臂MOS截止,小桥臂MOS导通,电机电流顺着②线流通。同时VCC通过自举二极管(①线)对自举电容充电,使电容两端的压差为Vcc=12V。

  (2)第二阶段:此阶段由芯片内部自动产生,即死区控制阶段(在H桥中介绍过,不能使上下两个MOS同时导通,否则VM直接通到GND,短路烧毁)。HO和LO输出均为低电平,上桥臂MOS截止,之前加在下桥臂MOS栅极上的电压通过①线)第三阶段:通过IN引脚输出PWM使左侧的内部MOS管如图所示导通。由于电容上的电压不能突变,此时自举电容上的电压(12V)便可以加到上桥臂MOS的栅极和源极上,使得上桥臂MOS也可以在一定时间内保持导通。此时上桥臂MOS的源极对地电压≈VM=7.4V,栅极对地电压≈VM+Vcc=19.4V,电容两端电压=12V,因此上桥臂MOS可以正常导通。

  注意:因为此时电容在持续放电,压差会逐渐减小。最后,电容正极对地电压(即上桥臂MOS栅极对地电压)会降到Vcc,那么上桥臂MOS的栅源电压便≈Vcc-VM=12V-7.6V=4.4V

  那么在上述驱动板中,自举电路就没有作用了吗?当然不是,由于MOS管的特性,自举电路在增加栅源G电压的同时,还可令MOS管的导通电阻Rds减小,从而减少发热损耗,因此仍然建议采用轮流导通的方式,用自举电容产生的大压差使MOS管导通工作。

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