電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路之H橋基本知識(shí)---Trinamic電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片

H橋是一種電子電路，可使其連接的負(fù)載或輸出端兩端電壓反相/電流反向。

這類電路可用于機(jī)器人及其它實(shí)作場(chǎng)合中直流電動(dòng)機(jī)的順反向控制及轉(zhuǎn)速控制、步進(jìn)電機(jī)控制(雙極型步進(jìn)電機(jī)還必須要包含兩個(gè)H橋的電機(jī)控制器)，

電能變換中的大部分直流-交流變換器(如逆變器及變頻器)、部分直流-直流變換器(推挽式變換器)等，以及其它的功率電子裝置。

H橋是一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路，因?yàn)樗碾娐沸螤羁崴谱帜窰，故得名曰“H橋”。

4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠(注意：概述圖中只是簡略示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動(dòng)電路沒有畫出來)。

H橋電路中間有一個(gè)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(gè)直流電機(jī)為例，對(duì)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(shí)際工程中按照實(shí)際情況進(jìn)行劃分即可。

正轉(zhuǎn)

通常H橋用來驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，這里我們來驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電機(jī)：

打開Q1和Q4

關(guān)閉Q2和Q3

此時(shí)假設(shè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，電流依次經(jīng)過Q1、M、Q4 ，如下圖中紅色線條所示。

反轉(zhuǎn)

另外一種狀態(tài)則是電機(jī)反轉(zhuǎn)，此時(shí)四個(gè)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(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，電流依次經(jīng)過Q2、M、Q3 ，如下圖中紅色線條所示。

調(diào)速

如果要對(duì)直流電機(jī)調(diào)速，其中的一種方案就是：

關(guān)閉Q2和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%，電流方向如下圖中紅色線條所示。

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)時(shí)Q1和Q4是打開狀態(tài)，這時(shí)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(huì)突變，那么電流將繼續(xù)保持原來的方向進(jìn)行流動(dòng)，這時(shí)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(shí)候電流仍然會(huì)通過反向續(xù)流二極管進(jìn)行流動(dòng)，此時(shí)短暫打開Q1和Q3從而達(dá)到快速衰減電流的目的，電流方向如下圖中紅色線條所示。

第二種：

準(zhǔn)備停止的時(shí)候，關(guān)閉Q1、打開Q2，這時(shí)候電流并不會(huì)衰減地很快，電流循環(huán)在Q2、M、Q4之間流動(dòng)，通過MOS-FET的內(nèi)阻將電能消耗掉。

補(bǔ)充-另外一種H橋電路

上文中是包含4個(gè)N型MOS管的H橋，

另外還有包含2個(gè)N型、2個(gè)P型MOS管的H橋，下圖就是這種H橋電路。

它由2個(gè)P型場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2與2個(gè)N型場(chǎng)效應(yīng)管Q3、Q4組成，橋臂上的4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于四個(gè)開關(guān)。

相對(duì)于前文4個(gè)N型MOS管的H橋電路，此電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是無論控制臂狀態(tài)如何(絕不允許懸空狀態(tài))，H橋都不會(huì)出現(xiàn)“共態(tài)導(dǎo)通”(短路)。

MOS管開關(guān)電路原理

P型MOS管在柵極為低電平時(shí)導(dǎo)通，高電平時(shí)關(guān)閉。

N型MOS管在柵極為高電平時(shí)導(dǎo)通，低電平時(shí)關(guān)閉。

正轉(zhuǎn)

場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制型元件，柵極通過的電流幾乎為“零”。

正因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，在連接好上圖電路后，控制臂1置高電平(U=VCC)、控制臂2置低電平(U=0)時(shí)，Q1、Q4關(guān)閉，Q2、Q3導(dǎo)通。

此時(shí)，電機(jī)左端低電平、右端高電平，所以電流沿箭頭方向流動(dòng)，設(shè)定此時(shí)為電機(jī)正轉(zhuǎn)。

下面是Trinamic電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)。

可以看到，芯片集成了預(yù)驅(qū)，檢測(cè)和保護(hù)電路。預(yù)驅(qū)也包含微步相序和分配邏輯。

芯片內(nèi)部也集成了功率橋來節(jié)省外圍器件。

審核編輯：湯梓紅