描述

從機器人到自動駕駛汽車都使用電機。您必須考慮在您的項目中添加電機以使其具有可操作性。一開始，驅動電機似乎很容易。只需添加一個電機，將其適當地連接到電壓軌即可。但是當您同時使用多個組件時，這并不是使用電機的完美方式。因此，我們使用電機驅動器。你可以在市場上買到它們，但在這里我們將學習它們是如何工作的，以及我們如何在家里制作它們。

電機驅動器

您可能遇到的最常見的電機類型是 3V 直流電機，它們經過優化以在低電壓下工作。這些電機對愛好者友好且成本低廉。

運行它們非常簡單。只需將它們與兩節 1.5 V AA 電池連接，它們就會啟動。此設置適用于制作風扇或微型風車等簡單作品。但是當涉及到機器人等動態應用時，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降低電機的速度。這很直觀！但是如果電機連接到公共電壓源，我們需要一個電路來使用適當的驅動電路來改變電壓。

LM317 等可變線性穩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。但這樣做的最大缺點是晶體管會耗散功率，驅動器的效率會降低。

解決此問題的方法是 PWM 或帶調制的脈沖。此處，電機由具有可調占空比（接通時間與信號周期之比）的方波驅動。傳遞的總功率與占空比成正比。在其他周期中，電機只在一小部分時間段內通電——因此隨著時間的推移，電機的平均功率會降低。占空比為 0% 時，電機關閉（無電流流動）；占空比為 50% 時，電機以一半功率（電流消耗的一半）運行，而 100% 表示最大電流消耗下的全功率。

這是通過連接電機高端并使用 N 溝道 MOSFET 驅動它來實現的，該 N 溝道 MOSFET 再次由 PWM 信號驅動。

N 溝道 PWM 電機驅動器

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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動 3V 電機，因為電機只看到平均電壓。通過精心設計，無需單獨的電機電源。

如果我們需要反轉電機的方向怎么辦？這通常是通過切換電機端子來完成的，但也可以通過電動方式完成。

一種選擇是使用另一個FET和一個負電源來切換方向。這需要電機的一個端子永久接地，而另一個連接到正電源或負電源。在這里，MOSFET 就像一個 SPDT 開關。

但是，存在更優雅的解決方案。

H橋電機驅動電路

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該電路稱為H 橋，因為 MOSFET 形成兩個垂直筆劃，電機形成字母表“H”的水平筆劃。它是解決所有電機驅動問題的簡單而優雅的解決方案。方向可以輕松改變，速度可以控制。

在 H 橋配置中，只有對角線相對的 MOSFET 對被激活以控制方向，如下圖所示：

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當激活一對（對角線相對的）MOSFET 時，電機會看到電流沿一個方向流動，而當另一對被激活時，通過電機的電流會反轉方向。

MOSFET 可以保持開啟以獲得全功率或 PWM-ed 以進行功率調節或關閉以使電機停止。同時激活底部和頂部 MOSFET（但絕不會同時激活）會制動電機。

所需組件

對于 H 橋

• 直流電機
• 2x IRF3205 N 溝道 MOSFET 或同等產品
• 2 個 IRF5210 P 溝道 MOSFET 或同等產品
• 2x 10K 電阻（下拉）
• 2x 100uF 電解電容（去耦）
• 2 個 100nF 陶瓷電容器（去耦）

對于控制電路

• 1x 555 定時器（任何變體，最好是 CMOS）
• 1x TC4427 或任何合適的柵極驅動器
• 2x 1N4148 或任何其他信號/超快二極管
• 1x 10K 電位器（定時）
• 1x 1K 電阻（時序）
• 4.7nF 電容（時序）
• 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

簡單 H 橋電路的原理圖

現在我們已經了解了理論，是時候動手構建一個 H 橋電機驅動器了。該電路具有足夠的功率來驅動高達 20A 和 40V 的中型電機，并且具有適當的結構和散熱器。某些功能已得到簡化，例如使用SPDT 開關來控制方向。

此外，為簡單起見，高側 MOSFET 為 P 溝道。通過適當的驅動電路（帶自舉），也可以使用 N 溝道 MOSFET。

這個使用 MOSFET 的 H 橋的完整電路圖如下所示：

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工作說明

1. 555 定時器

定時器是一個簡單的 555 電路，可產生大約 10% 到 90% 的占空比。頻率由 R1、R2 和 C2 設置。高頻是減少噪音的首選，但這也意味著需要更強大的柵極驅動器。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. 柵極驅動器

柵極驅動器是標準的雙通道 TC4427 ，每個通道具有 1.5A 灌電流/拉電流。此處，兩個通道并聯以獲得更多驅動電流。同樣，如果頻率更高，則柵極驅動器需要更強大。

SPDT 開關用于選擇控制方向的 H 橋橋臂。

3. H橋

這是控制電機的電路的工作部分。MOSFET 柵極通常由下拉電阻拉低。這會導致兩個 P 溝道 MOSFET 導通，但這不是問題，因為沒有電流可以流動。當 PWM 信號施加到一條腿的柵極時，N 和 P 溝道 MOSFET 交替打開和關閉，從而控制功率。

H 橋電路構造技巧

該電路的最大優點是它可以擴展以驅動各種尺寸的電機，而不僅僅是電機——任何其他需要雙向電流信號的東西，比如正弦波逆變器。

即使在低功率下使用此電路時，必須進行適當的局部去耦，除非您希望電路出現故障。

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

所以這個簡單的 H 橋電路是許多電機驅動問題的解決方案，例如雙向、電源管理和效率。