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DIY H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

2022-12-21 | zip | 0.05 MB | 次下載 | 2積分

資料介紹

描述

機(jī)器人自動(dòng)駕駛汽車都使用電機(jī)。您必須考慮在您的項(xiàng)目中添加電機(jī)以使其具有可操作性。一開始,驅(qū)動(dòng)電機(jī)似乎很容易。只需添加一個(gè)電機(jī),將其適當(dāng)?shù)剡B接到電壓軌即可。但是當(dāng)您同時(shí)使用多個(gè)組件時(shí),這并不是使用電機(jī)的完美方式。因此,我們使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。你可以在市場(chǎng)上買到它們,但在這里我們將學(xué)習(xí)它們是如何工作的,以及我們?nèi)绾卧诩依镏谱魉鼈儭?/font>

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

您可能遇到的最常見的電機(jī)類型是 3V 直流電機(jī),它們經(jīng)過(guò)優(yōu)化以在低電壓下工作。這些電機(jī)對(duì)愛好者友好且成本低廉。

運(yùn)行它們非常簡(jiǎn)單。只需將它們與兩節(jié) 1.5 V AA 電池連接,它們就會(huì)啟動(dòng)。此設(shè)置適用于制作風(fēng)扇或微型風(fēng)車等簡(jiǎn)單作品。但是當(dāng)涉及到機(jī)器人等動(dòng)態(tài)應(yīng)用時(shí),就需要更高的精度——以可變速度和扭矩的形式。

我們可以降低輸入源的電壓來(lái)降低電機(jī)的速度。這很直觀!但是如果電機(jī)連接到公共電壓源,我們需要一個(gè)電路來(lái)使用適當(dāng)?shù)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>驅(qū)動(dòng)電路來(lái)改變電壓。

LM317 等可變線性穩(wěn)壓器可用于增加或減少電壓,如果需要,可以添加一些雙極晶體管以增加電流供應(yīng)。但這樣做的最大缺點(diǎn)是晶體管會(huì)耗散功率驅(qū)動(dòng)器效率會(huì)降低。

解決此問(wèn)題的方法是 PWM 或調(diào)制的脈沖。此處,電機(jī)由具有可調(diào)占空比(接通時(shí)間與信號(hào)周期之比)的方波驅(qū)動(dòng)。傳遞的總功率與占空比成正比。在其他周期中,電機(jī)只在一小部分時(shí)間段內(nèi)通電——因此隨著時(shí)間的推移,電機(jī)的平均功率會(huì)降低。占空比為 0% 時(shí),電機(jī)關(guān)閉(無(wú)電流流動(dòng));占空比為 50% 時(shí),電機(jī)以一半功率(電流消耗的一半)運(yùn)行,而 100% 表示最大電流消耗下的全功率。

這是通過(guò)連接電機(jī)高端并使用 N 溝道 MOSFET 驅(qū)動(dòng)它來(lái)實(shí)現(xiàn)的,該 N 溝道 MOSFET 再次由 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)。

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N 溝道 PWM 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
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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(dòng) 3V 電機(jī),因?yàn)殡姍C(jī)只看到平均電壓。通過(guò)精心設(shè)計(jì),無(wú)需單獨(dú)的電機(jī)電源。

如果我們需要反轉(zhuǎn)電機(jī)的方向怎么辦?這通常是通過(guò)切換電機(jī)端子來(lái)完成的,但也可以通過(guò)電動(dòng)方式完成。

一種選擇是使用另一個(gè)FET和一個(gè)負(fù)電源來(lái)切換方向。這需要電機(jī)的一個(gè)端子永久接地,而另一個(gè)連接到正電源或負(fù)電源。在這里,MOSFET 就像一個(gè) SPDT 開關(guān)。

但是,存在更優(yōu)雅的解決方案。

H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

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該電路稱為H 橋,因?yàn)?MOSFET 形成兩個(gè)垂直筆劃,電機(jī)形成字母表“H”的水平筆劃。它是解決所有電機(jī)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題的簡(jiǎn)單而優(yōu)雅的解決方案。方向可以輕松改變,速度可以控制。

在 H 橋配置中,只有對(duì)角線相對(duì)的 MOSFET 對(duì)被激活以控制方向,如下圖所示:

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當(dāng)激活一對(duì)(對(duì)角線相對(duì)的)MOSFET 時(shí),電機(jī)會(huì)看到電流沿一個(gè)方向流動(dòng),而當(dāng)另一對(duì)被激活時(shí),通過(guò)電機(jī)的電流會(huì)反轉(zhuǎn)方向。

MOSFET 可以保持開啟以獲得全功率或 PWM-ed 以進(jìn)行功率調(diào)節(jié)或關(guān)閉以使電機(jī)停止。同時(shí)激活底部和頂部 MOSFET(但絕不會(huì)同時(shí)激活)會(huì)制動(dòng)電機(jī)。

所需組件

對(duì)于 H 橋

  • 直流電機(jī)
  • 2x IRF3205 N 溝道 MOSFET 或同等產(chǎn)品
  • 2 個(gè) 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)
  • 2 個(gè) 100nF 陶瓷電容器(去耦)

對(duì)于控制電路

  • 1x 555 定時(shí)器(任何變體,最好是 CMOS)
  • 1x TC4427 或任何合適的柵極驅(qū)動(dòng)
  • 2x 1N4148 或任何其他信號(hào)/超快二極管
  • 1x 10K 電位器(定時(shí))
  • 1x 1K 電阻(時(shí)序)
  • 4.7nF 電容(時(shí)序)
  • 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(jiǎn)單 H 橋電路的原理圖

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了理論,是時(shí)候動(dòng)手構(gòu)建一個(gè) H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器了。該電路具有足夠的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)高達(dá) 20A 和 40V 的中型電機(jī),并且具有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和散熱器。某些功能已得到簡(jiǎn)化,例如使用SPDT 開關(guān)來(lái)控制方向。

此外,為簡(jiǎn)單起見,高側(cè) MOSFET 為 P 溝道。通過(guò)適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路(帶自舉),也可以使用 N 溝道 MOSFET。

這個(gè)使用 MOSFET 的 H 橋的完整電路圖如下所示:

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工作說(shuō)明

1. 555 定時(shí)器

定時(shí)器是一個(gè)簡(jiǎn)單的 555 電路,可產(chǎn)生大約 10% 到 90% 的占空比。頻率由 R1、R2 和 C2 設(shè)置。高頻是減少噪音的首選,但這也意味著需要更強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)器。占空比由電位器 R2 控制。

該電路可以用任何其他 PWM 源替換,例如 Arduino。

2. 柵極驅(qū)動(dòng)器

柵極驅(qū)動(dòng)器是標(biāo)準(zhǔn)的雙通道 TC4427 ,每個(gè)通道具有 1.5A 灌電流/拉電流。此處,兩個(gè)通道并聯(lián)以獲得更多驅(qū)動(dòng)電流。同樣,如果頻率更高,則柵極驅(qū)動(dòng)器需要更強(qiáng)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(jī)的電路的工作部分。MOSFET 柵極通常由下拉電阻拉低。這會(huì)導(dǎo)致兩個(gè) P 溝道 MOSFET 導(dǎo)通,但這不是問(wèn)題,因?yàn)闆]有電流可以流動(dòng)。當(dāng) PWM 信號(hào)施加到一條腿的柵極時(shí),N 和 P 溝道 MOSFET 交替打開和關(guān)閉,從而控制功率。

H 橋電路構(gòu)造技巧

該電路的最大優(yōu)點(diǎn)是它可以擴(kuò)展以驅(qū)動(dòng)各種尺寸的電機(jī),而不僅僅是電機(jī)——任何其他需要雙向電流信號(hào)的東西,比如正弦波逆變器

即使在低功率下使用此電路時(shí),必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)木植咳ヱ睿?/font>除非您希望電路出現(xiàn)故障。

此外,如果在 PCB 等更永久的平臺(tái)上構(gòu)建此電路,建議使用大接地層,使低電流部分遠(yuǎn)離高電流路徑。

所以這個(gè)簡(jiǎn)單的 H 橋電路是許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題的解決方案,例如雙向、電源管理和效率。


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