直流電機的驅動原理及單片機+L298控制程序

ID:105323 · 發表于 2016-2-13 02:17

直流電機用單片機控制時需要加驅動電路，目的是提供足夠大的電流。一般來說，直流電機的驅動主要達林頓管和專用驅動芯片，當然最好是用MOS管自行搭建驅動電路（考慮到電機效率和經濟的問題）。達林頓管方便，但是無法控制電機的轉向，而驅動芯片則顯得比較方便。
所謂 H橋驅動電路是為了直流電機而設計的一種常見電路，它主要實現直流電機的正反向驅動，其典型電路形式如下：

從圖中可以看出，其形狀類似于字母“H”，而作為負載的直流電機是像“橋”一樣架在上面的，所以稱之為“H橋驅動”。4個開關所在位置就稱為“橋臂”。從電路中不難看出，假設開關A、D接通，電機為正向轉動，則開關B、C接通時，直流電機將反向轉動。從而實現了電機的正反向驅動。
借助這 4個開關還可以產生另外 2 個電機的工作狀態：
A）剎車 —— 將B、D開關（或A、C）接通，則電機慣性轉動產生的電勢將被短路，形成阻礙運動的反電勢，形成“剎車”作用。
B）惰行 ——4個開關全部斷開，則電機慣性所產生的電勢將無法形成電路，從而也就不會產生阻礙運動的反電勢，電機將慣性轉動較長時間。
以上只是從原理上描述了H橋驅動，而實際應用中很少用開關構成橋臂，通常使用晶體管，因為控制更為方便，速度壽命都長于有接點的開關（繼電器）。
細分下來，晶體管有雙極性和MOS管之分，而集成電路只是將它們集成而已，其實質還是這兩種晶體管，只是為了設計、使用方便、可靠而做成了一塊電路。
雙極性晶體管構成的H橋：

MOS管構成的H橋：

幾種典型H橋驅動電路分析：

分析之前，首先要確定 H 橋要關注那些性能：
A）效率 ——所謂驅動效率高，就是要將輸入的能量盡量多的輸出給負載，而驅動電路本身最好不消耗或少消耗能量，具體到H橋上，也就是4個橋臂在導通時最好沒有壓降，越小越好。
   B）安全性—— 不能同側橋臂同時導通；
   C）電壓—— 能夠承受的驅動電壓；
   D）電流—— 能夠通過的驅動電流。
   大致如此，仔細考量，指標B）似乎不是H橋本身的問題，而是控制部分要考慮的。
   而后兩個指標通過選擇合適參數的器件就可以達到，只要不是那些特別大的負載需求，每種器件通常都能選擇到。而且，小車應用中所能遇到的電流、電壓更是有限。只有指標A）是由不同器件的性能所決定的，而且是運行中最應該關注的指標，因為它直接影響了電機驅動的效率。所以，經分析的重點放在效率上，也就是橋臂的壓降上。
   為了使分析簡單，便于比較，將H 橋的驅動電流定位在2A水平上，而電壓在5 - 12V之間。
   選擇三個我所涉及到的器件：
   A）雙極性晶體管—— D772、D882
   B）MOS管—— 2301、2302
   C）集成電路H橋—— L298
  D772的壓降指標如下：

D882的壓降指標如下：

2301的壓降指標如下：

因為MOS管是以導通電阻來衡量的，需要換算一下，小車的控制電壓是4.5V，按上面的導通電阻計算，2A的壓降應該是：2*0.093=0.186V，最大是：2*0.13=0.26V。
2302的壓降指標如下：

同上換算一下，小車的控制電壓是4.5V（電池電壓），按上面的導通電阻計算，2A的壓降應該是： 2* 0.045 =0.09V，最大是：2 * 0.06 = 0.12V。
L298的壓降指標如下：

表中第一行為上橋臂的壓降，對應D772、2301，第二行為下橋臂的壓降，對應D882、2302，第三行為兩者之和。對比一下不難看出，如果均以2A電流驅動計算，三種驅動自身所消耗的功率如下：
D772、D882：（0.5+0.5）* 2 = 2 W
2301、2302：  （0.26+0.12)* 2 = 0.76 W
L298：       4.9* 2 = 9.8 W
   如果以驅動一個 4.5V 、2A的直流電機為例：
電機得到的功率是：4.5*2 = 9W；
用D772、D882 則需要供電5.5V，效率為：9/（5.5*2）= 81% ；
用2301、2302 則需要供電4.88V，效率為：9 /（4.88*2）= 92%
用L298 則需要供電 9.4V ，效率為：9/（9.4*2）= 48 %
從這組數據還可以看出三者的散熱需求及其外形差異的原因。
同時解釋了圓夢小車開始使用D772、D882 驅動時為何選用 3V的130電機,因為小車是4節充電電池供電，只有4.8~5V，H橋壓降1V，所以只能使用3V的電機。而改用MOS管驅動后，就選用了4.5V的N20電機，因為MOS管只帶來了0.4V不到的壓降。而分析L298的壓降你就會知道，如果你的電機需要2A左右的啟動電流，那使用5V是根本無法工作的。實際上使用 L298不只是驅動壓降限制了電機的供電電壓，它的控制電平要求也使得你幾乎無法使用低于 6V 的工作電壓，看如下信息：

表中Vs為電機驅動的供電電壓（L298分2路供電，一路是電機驅動的，就是H橋上的，一路是供給邏輯電路的，ViH是指邏輯控制輸入高電平。
此參數的含義是，電機驅動電壓必須大于邏輯控制電平2.5V，如果你的邏輯部分使用5V供電，那電機的供電電壓至少7.5V，否則將無法保證正常工作。除非你將邏輯控制電平降低。

電機驅動芯片L298介紹：
L298是SGS公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路，是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可以驅動46V、2A以下的電機。1腳和15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號。L298可驅動2個電機，2（OUT1)、3(OUT2)和13(OUT3)、14(OUT4)之間分別接2個電動機。5(IN1)、7(IN2)；10(IN3)、12(IN4)接輸入控制電平，控制電機的正反轉，7（ENA），8（ENB）接控制使能端，控制電機的停轉。9(Vss)接邏輯電平（即VCC)，4(Vs)接給電機供電的電源。根據芯片說明的要求，Vs>Vss+2.5。