H桥式电机驱动电路

本文摘自：《机器人探索》 一、H桥式电机驱动电路 图4.12中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图4.12及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。 如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 图4.12 H桥式电机驱动电路 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.13所示，当Q1管和Q4管导通时，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。 当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。 图4.13 H桥电路驱动电机顺时针转动 图4.14所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。 当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头示为逆时针方向）。 图4.14 H桥电路驱动电机逆时针转动 二、使能控制和方向逻辑 驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。 基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。 图4.155所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。（与本节前面的示意图一样，图4.15所示也不是一个完整的电路图，特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。） 图4.15 具有使能控制和方向逻辑的H桥电路 采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIR－L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图4.16所示）；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。 图4.16 使能信号与方向信号的使用 实际使用的时候，用分立件制作H桥式是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。 在典型H型驱动电路的基础上,给出了增加两只二极管保护驱动管的改进电路,并对其原理和特点进行了和讨论.  驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。有许多问题需要慎重，例如，导通延时、泵升保护、过压过流保护、开关频率、附加电感的选择等。 1.开关频率和主回路附加电感的选择 　　力矩波动也即电流波动，由系统设计给定的力矩波动指标为ΔI/IN，对有刷直流电动机而言，通常在(5~10)%左右。为了便于分析可认为 　　ΔI/IN=ΔI/(Us/Rd) (1) 　　式中Rd为电枢回路总电阻。代入前面各种驱动控制方式的ΔI表达式中，消去Us，可求出： 　　对于单极性控制 　　&nbs 　　p; Ld/Rd≥5T~2.5T(可逆或不可逆) (2) 　　对于双极性控制 　　Ld/Rd≥10T~5T （3） 　　式中T为功率开关的开关周期。 　　对于有刷直流电动机，电磁时间常数Ld/Rd一般在10ms至几十毫秒。若采用GTR，开关频率可取2KHz左右，T=0.5ms。若采用IGBT，开关频率可取18KHz以上，所以上式均能满足。若采用GTO或可控硅功率器件，由于工作频率只有100Hz左右，此时应考虑在主回路附加电抗器，且 　　Ld="Lf"+La (4) 　　对不可逆系统还应进一步检查临界电流，IaL=UsT/8Ld≤Ia0应小于电机空载电流，防止空载失控。 　　对于低惯量电机、力矩电动机，由于电磁时间常数很小（几个毫秒或更小），此时应考虑采用开关频率高的IGBT功率开关器件。 2. 功率驱动电路的选择 　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 H桥开关电路(Ⅰ) & nbsp; 图2 H桥开关电路(Ⅱ) 　　小功率驱动电路可以采用如图1所示的H桥开关电路。UA和UB是互补的双极性或单极性驱动信号，TTL电平。开关晶体管的耐压应大于1.5倍Us以上。由于大功率PNP晶体管价格高，难实现，所以这个电路只在小功率电机驱动中使用。当四个功率开关全用NPN晶体管时，需要解决两个上桥臂晶体管(BG1和BG3)的基极电平偏移问题。图2中H桥开关电路利用两个晶体管实现了上桥臂晶体管的电平偏移。但电阻R上的损耗较大，所以也只能在小功率电机驱动中使用。 　　当驱动功率比较大时，一般桥臂电压也比较高，例如直接取工频电压，单相220V，或三相380V。为了安全和可靠，希望驱动回路（主回路）与控制回路绝缘。此时，主回路必须采用浮地前置驱动。图3所示的浮地前置驱动电路都是互相独立的，并由独立的电源供电。由于前置驱动电路中采用了光电耦合，使控制信号分别与各自的前置驱动电路电气绝缘，于是使控制信号对主回路浮地（或不共地）。 　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 大功率驱动电路 3. 具有光电耦合绝缘的前置驱动电路 　　对于大功率驱动系统，希望将主回路与控制回路之间实行电气隔离，此时常采用光电耦合电路来实现。有三种常用的光电耦合电路如图4所示，其中普通型的典型型号是4N25、117等，高速型的典型型号有985C，高电流传输比型也称达林顿型，典型型号有113等。 　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4 典型光电耦合器电路 　　图中，普通型光耦的Ic/Id=0.1~0.3；高速型光耦采用光敏二极管；高电流传输比型光耦的Ic/Id=0.5；它们的上升延时时间和关断延时时间分别为tr，ts>4~5μs；tr，ts<1.5μs；tr，ts为10μs左右。 　　光电耦合器与后续电路结合就能构成前置驱动电路，如图5所示。这个前置驱动电路的上升延时tr——3.9μs，关断延时ts——1.6μs，可以在中等功率系统中使用。 　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5 前置驱动电路 　　为了对功率开关提供最佳前置驱动，现在已有很多专用的前置驱动模块。这种驱动模块对功率开关提供理想前置驱动信号，保证功率开关迅速导通，迅速关断，对功率开关的饱和深度进行最佳控制，对功率开关的过电流、过热进行和保护。例如，EX356、EX840等等。 4. 防直通导通延时电路 　　对H桥驱动电路上下桥臂功率晶体管加互补信号，由于带载情况下，晶体管的关断时间通常比开通时间长，这样，例如当下桥臂晶体管未及时关断，而上桥臂抢先开通时就出现所谓“桥臂直通”故障。桥臂直通时电流迅速变大，造成功率开关损坏。所以设置导通延时，是必不可少的。图6是导通延时电路及其波形。 　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6 导通延时电路及波形 　　导通延时，有时也称死区时间，可通过RC时间常数来设置；对GTR可按0.2μs/A来设置；对MOSFET可按0.1~0.2μs设计，且与电流无关，IGBT可按2~5μs设计。举例说明，若为GTR，f=5kHz，双极性工作，调宽区域为T/2=1/10=0.1ms。若I=100A，则Δt=0.2X100=20μs，则PWM调制分辨率最大可能性为 　　(T/2)Δt=0.1/0.02=5 (5) 　　这说明死区时间占据了调制周期的1/5，显然是不可行的。所以对于100A的电机系统，GTR的开关频率必须低于5kHz。例如，2kHz以下，此时分辨率达12.5左右。 　　驱动电路的设计还有很多问题，例如过压、过流、过热、泵升保护等等。 H型驱动电路的改进：万方数据