智能小车：直流电机 H 桥驱动方案的选择.doc

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1、智能小车：直流电机H桥驱动方案的选择编辑：robotain来源：嵌入式之梦2010-01-09发表评论一、 背景此问题一直想留给做小车的同学去研讨，期望他们在制作过程中能够悟出其中的道理。可无奈等至今日也未见一文半字:(   却接到了无数的质询：你为何要用分立元件构建H桥驱动？为何不选择L298集成电路桥？为何要使用MOS管？等等……，逐个回复太累了，只好整理一下，汇总于此，供参考，有不妥之处望指正，更望能有人提出进一步的分析。二、 分析内容界定本文只涉及有刷直流电机 H桥驱动部分的电路，不讨论如何控制H桥？如何实现PWM？以及如何实现过流保护等；而且主要讨论构成H桥4个桥臂对性能的影响。

2、三、H桥原理简述所谓H桥驱动电路是为了直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如下： 从图中可以看出，其形状类似于字母“H”，而作为负载的直流电机是像“桥”一样架在上面的，所以称之为“H桥驱动”。4个开关所在位置就称为“桥臂”。从电路中不难看出，假设开关A、D接通，电机为正向转动，则开关B、C接通时，直流电机将反向转动。从而实现了电机的正反向驱动。借助这4个开关还可以产生电机的另外2 个工作状态：     A） 刹车——将B、D开关（或A、C）接通，则电机惯性转动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作用。B） 惰行——4个开关全部断开，

3、则电机惯性所产生的电势将无法形成电路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时间。以上只是从原理上描述了H桥驱动，而实际应用中很少用开关构成桥臂，通常使用晶体管，因为控制更为方便，速度寿命都长于有接点的开关（继电器）。细分下来，晶体管有双极性和MOS管之分，而集成电路只是将它们集成而已，其实质还是这两种晶体管，只是为了设计、使用方便、可靠而做成了一块电路。 双极性晶体管构成的H桥： MOS管构成的H桥：以下就分析一下这些电路的性能差异。四、几种典型H桥驱动电路分析分析之前，首先要确定H桥要关注那些性能：     A） 效率——所谓驱动效率高，就是要将输入的能量尽量多的输出给负

4、载，而驱动电路本身最好不消耗或少消耗能量，具体到H桥上，也就是4个桥臂在导通时最好没有压降，越小越好。B） 安全性——不能同侧桥臂同时导通；C） 电压——能够承受的驱动电压；D） 电流——能够通过的驱动电流。大致如此，仔细考量，指标B）似乎不是H桥本身的问题，而是控制部分要考虑的。而后两个指标通过选择合适参数的器件就可以达到，只要不是那些特别大的负载需求，每种器件通常都能选择到。而且，小车应用中所能遇到的电流、电压更是有限。只有指标A）是由不同器件的性能所决定的，而且是运行中最应该关注的指标，因为它直接影响了电机驱动的效率。所以，经分析的重点放在效率上，也就是桥臂的压降上。为了使分析简单，

5、便于比较，将H桥的驱动电流定位在2A水平上，而电压在5-12V之间。选择三个我所涉及到的器件：A） 双极性晶体管—— D772、D882B） MOS管—— 2301、2302C） 集成电路H桥——L298D772的压降指标如下：D882的压降指标如下：2301的压降指标如下：因为MOS管是以导通电阻来衡量的，需要换算一下，小车的控制电压是4.5V，按上面的导通电阻计算，2A的压降应该是：2*0.093=0.186V，最大是：2*0.13=0.26V。2302的压降指标如下：同上换算一下，小车的控制电压是4.5V（电池电压），按上面的导通电阻计算，2A的压降应该是：2*0.045=0.09V

6、，最大是：2*0.06=0.12V。L298的压降指标如下：表中第一行为上桥臂的压降，对应D772、2301，第二行为下桥臂的压降，对应D882、2302，第三行为两者之和。对比一下不难看出，如果均以2A电流驱动计算，三种驱动自身所消耗的功率如下：       D772、D882：（0.5+0.5）*2=2W       2301、2302：  (0.26+0.12)*2=0.76W       L298：              4.9*2= 9.8W如果以驱动一个4.5V、2A的直流电机为例：电机得到的功率是：4.5*2=9W；用D772、D882则需要供电5.5V，效率为： 9/（

7、5.5*2）= 81% ；用2301、2302 则需要供电4.88V，效率为：9/（4.88*2）= 92%用L298则需要供电9.4V，效率为：          9/（9.4*2）=48%结论不言自明了吧！从这组数据还可以看出三者的散热需求及其外形差异的原因。同时解释了圆梦小车开始使用D772、D882驱动时为何选用3V的130电机，因为小车是4节充电电池供电，只有4.8~5V，H桥压降1V，所以只能使用3V的电机。