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深入淺出H橋驅(qū)動電路

發(fā)布時間:2021-01-03 來源:菜刀和小麥 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】H橋是一個比較簡單的電路,通常它會包含四個獨立控制的開關(guān)元器件(例如MOS-FET),它們通常用于驅(qū)動電流較大的負(fù)載,比如電機(jī),至于為什么要叫H橋(H-Bridge),因為長得比較像字母H,具體如下圖所示;
 
什么是H橋?
 
H橋是一個比較簡單的電路,通常它會包含四個獨立控制的開關(guān)元器件(例如MOS-FET),它們通常用于驅(qū)動電流較大的負(fù)載,比如電機(jī),至于為什么要叫H橋(H-Bridge),因為長得比較像字母H,具體如下圖所示;
 
深入淺出H橋驅(qū)動電路
 
這里有四個開關(guān)元器件Q1,Q2,Q3,Q4,另外還有一個直流電機(jī)M,D1,D2,D3,D4是MOS-FET的續(xù)流二極管;
 
開關(guān)狀態(tài)
 
下面以控制一個直流電機(jī)為例,對H橋的幾種開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行簡單的介紹,其中正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)是人為規(guī)定的方向,實際工程中按照實際情況進(jìn)行劃分即可;
 
正轉(zhuǎn)
 
通常H橋用來驅(qū)動感性負(fù)載,這里我們來驅(qū)動一個直流電機(jī);
 
●     打開Q1和Q4;
●     關(guān)閉Q2和Q3;
 
此時假設(shè)電機(jī)正轉(zhuǎn),這電流依次經(jīng)過Q1,M,Q4,在圖中使用黃色線段進(jìn)行標(biāo)注,具體如下圖所示;
 
深入淺出H橋驅(qū)動電路
正轉(zhuǎn)
 
反轉(zhuǎn)
 
另外一種狀態(tài)則是電機(jī)反轉(zhuǎn);此時四個開關(guān)元器件的狀態(tài)如下;
 
●     關(guān)閉Q1和Q4;
●     打開Q2和Q3;
 
此時電機(jī)反轉(zhuǎn)(與前面介紹的情況相反),這電流依次經(jīng)過Q2,M,Q3,在圖中使用黃色線段進(jìn)行標(biāo)注,具體如下圖所示;
 
深入淺出H橋驅(qū)動電路
反轉(zhuǎn)
 
調(diào)速
 
如果要對直流電機(jī)調(diào)速,其中的一種方案就是;
 
●     關(guān)閉Q2,Q3;
●     打開Q1,Q4上給它輸入50%占空比的PWM波形,這樣就達(dá)到了降低轉(zhuǎn)速的效果,如果需要增加轉(zhuǎn)速,則將輸入PWM的占空比設(shè)置為100%;
 
具體如下所示;
 
深入淺出H橋驅(qū)動電路
 
停止?fàn)顟B(tài)
 
這里以電機(jī)從正轉(zhuǎn)切換到停止?fàn)顟B(tài)為例;
 
●     正轉(zhuǎn)情況下;Q1和Q4是打開狀態(tài);
●     這時候如果關(guān)閉Q1和Q4,直流電機(jī)內(nèi)部可以等效成電感,也就是感性負(fù)載,電流不會突變,那么電流將繼續(xù)保持原來的方向進(jìn)行流動,這時候我們希望電機(jī)里的電流可以快速衰減;
 
這里有兩種辦法:
 
第一種:關(guān)閉Q1和Q4,這時候電流仍然會通過反向續(xù)流二極管進(jìn)行流動,此時短暫打開Q1和Q3從而達(dá)到快速衰減電流的目的;
 
深入淺出H橋驅(qū)動電路
 
第二種:準(zhǔn)備停止的時候,關(guān)閉Q1,打開Q2,這時候電流并不會衰減地很快,電流循環(huán)在Q2,M,Q4之間流動,通過MOS-FET的內(nèi)阻將電能消耗掉;
 
深入淺出H橋驅(qū)動電路
 
應(yīng)用
 
實際使用的時候,用分立元件制作H橋是很麻煩的,市面上已經(jīng)有很多比較常用的IC方案,比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。接上電源、電機(jī),通過輸入控制信號就可以驅(qū)動電機(jī)了;
 
下面是某寶上的L298N模塊,比較常見,對于新手玩家非常友好,接線也十分簡單;
 
深入淺出H橋驅(qū)動電路
L298N模塊
 
這個模塊有一個板載5V穩(wěn)壓器,該穩(wěn)壓器可使用跳線的方式進(jìn)行使能。
 
如果電機(jī)電源電壓高達(dá)12V,我們可以啟用5V穩(wěn)壓器,并且5V引腳可以用作輸出,例如給Arduino板供電。
 
但是,如果電動機(jī)電壓大于12V,則必須斷開跳線,因為這些電壓會損壞板載5V穩(wěn)壓器。
 
在這種情況下,5V引腳將用作輸入,因為我們需要將其連接到5V電源,以使IC正常工作。
 
我們在這里可以注意到,該IC的電壓降約為2V。因此,如果使用12V電源,則電動機(jī)端子上的電壓約為10V,這意味著我們將無法從12V直流電動機(jī)中獲得最大速度。
 
這里使用Arduino為例,這是網(wǎng)上找的一個Demo整體的框架如下圖所示;
 
 
深入淺出H橋驅(qū)動電路
架構(gòu)
 
#define enA 9
#define in1 6
#define in2 7
#define button 4
 
int rotDirection = 0;
int pressed = false;
 
void setup() {
  pinMode(enA, OUTPUT);
  pinMode(in1, OUTPUT);
  pinMode(in2, OUTPUT);
  pinMode(button, INPUT);
  // Set initial rotation direction
  digitalWrite(in1, LOW);
  digitalWrite(in2, HIGH);
}
 
void loop() {
// Read potentiometer value
  int potValue = analogRead(A0); 
  // Map the potentiometer value from 0 to 255
  int pwmOutput = map(potValue, 0, 1023, 0 , 255); 
  // Send PWM signal to L298N Enable pin
  analogWrite(enA, pwmOutput); 
 
  // Read button - Debounce
  if (digitalRead(button) == true) {
    pressed = !pressed;
  }
  while (digitalRead(button) == true);
  delay(20);
 
  // If button is pressed - change rotation direction
  if (pressed == true  & rotDirection == 0) {
    digitalWrite(in1, HIGH);
    digitalWrite(in2, LOW);
    rotDirection = 1;
    delay(20);
  }
  // If button is pressed - change rotation direction
  if (pressed == false & rotDirection == 1) {
    digitalWrite(in1, LOW);
    digitalWrite(in2, HIGH);
    rotDirection = 0;
    delay(20);
  }
}
 
簡單描述一下:首先我們需要定義程序所需的引腳和變量。
 
在setup()中,我們需要設(shè)置引腳模式和電機(jī)的初始旋轉(zhuǎn)方向。
 
在loop()中,我們先讀取電位器值,然后將從中獲得的值從0到1023變化,線性映射到PWM信號的0到255的值,將其從0到100%的占空比。
 
然后使用analogWrite()函數(shù)將PWM信號發(fā)送到L298N板的Enable引腳,該引腳實際上驅(qū)動電動機(jī)。
 
接下來,我們檢查是否按下了按鈕,如果是的話,我們將輸入1和輸入2的狀態(tài)反置,從而改變電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。該按鈕將用作切換按鈕,每次按下該按鈕都會改變電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。
 
某寶上這種小車很多,如下圖所示;主控可以換成51單片機(jī)或者STM32,當(dāng)然Arduino也沒問題,使用L298N就可以快速搭建一個小車了;
 
深入淺出H橋驅(qū)動電路
某寶的小車
 
總結(jié)
 
本文簡單介紹了H橋的原理,并以直流電機(jī)為例簡單介紹了驅(qū)動的狀態(tài),整體比較簡單,適合新手玩家,最后給出了基于Arduino和L298N的驅(qū)動示例,僅供參考。
 
以下文章來源于小麥大叔 ,作者菜刀和小麥
 
 
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