直流电机的驱动原理及单片机+L298控制程序

ID:105323 · 发表于 2016-2-13 02:17

直流电机用单片机控制时需要加驱动电路，目的是提供足够大的电流。一般来说，直流电机的驱动主要达林顿管和专用驱动芯片，当然最好是用MOS管自行搭建驱动电路（考虑到电机效率和经济的问题）。达林顿管方便，但是无法控制电机的转向，而驱动芯片则显得比较方便。
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个开关还可以产生另外 2 个电机的工作状态：
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，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：

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，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、D882
   B）MOS管—— 2301、2302
   C）集成电路H桥—— L298
  D772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，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 = 2 W
2301、2302：  （0.26+0.12)* 2 = 0.76 W
L298：       4.9* 2 = 9.8 W
   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/（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 %
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。而改用MOS管驱动后，就选用了4.5V的N20电机，因为MOS管只带来了0.4V不到的压降。而分析L298的压降你就会知道，如果你的电机需要2A左右的启动电流，那使用5V是根本无法工作的。实际上使用 L298不只是驱动压降限制了电机的供电电压，它的控制电平要求也使得你几乎无法使用低于 6V 的工作电压，看如下信息：

表中Vs为电机驱动的供电电压（L298分2路供电，一路是电机驱动的，就是H桥上的，一路是供给逻辑电路的，ViH是指逻辑控制输入高电平。
此参数的含义是，电机驱动电压必须大于逻辑控制电平2.5V，如果你的逻辑部分使用5V供电，那电机的供电电压至少7.5V，否则将无法保证正常工作。除非你将逻辑控制电平降低。

电机驱动芯片L298介绍：
L298是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可以驱动46V、2A以下的电机。1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。L298可驱动2个电机，2（OUT1)、3(OUT2)和13(OUT3)、14(OUT4)之间分别接2个电动机。5(IN1)、7(IN2)；10(IN3)、12(IN4)接输入控制电平，控制电机的正反转，7（ENA），8（ENB）接控制使能端，控制电机的停转。9(Vss)接逻辑电平（即VCC)，4(Vs)接给电机供电的电源。根据芯片说明的要求，Vs>Vss+2.5。