機(jī)器人教程3：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)及L298N模塊

這一節(jié)我們主要介紹H橋電路，后面的章節(jié)我們會(huì)專門介紹到PWM調(diào)速問題。

3、H橋電路

電機(jī)做好后后引出兩個(gè)極，如圖5所示，給兩個(gè)極能電就能夠?qū)崿F(xiàn)其轉(zhuǎn)動(dòng)，而改變其電源極性剛可以實(shí)現(xiàn)換向。

圖5減速電機(jī)及電路圖

前面我們說過必須要解決驅(qū)動(dòng)力不足和換向問題，設(shè)計(jì)一般會(huì)采用兩種方法，一是設(shè)計(jì)由分離元件組成的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)，另一種方法則是采用專用的驅(qū)動(dòng)芯片加以實(shí)現(xiàn)。由于專用的驅(qū)動(dòng)芯片由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、可靠性高等特點(diǎn)，因而被廣泛的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片很多如L298N、BST7970、MC33886等，這里我們介紹智能機(jī)器人中比較常用的LM298N驅(qū)動(dòng)模塊，BST7970、MC33886一般在電機(jī)功率比較大的場(chǎng)合適用。在介紹LM298N驅(qū)動(dòng)模塊之前，我們先介紹一下H橋電路，需要說明的是時(shí)，在下面的電路由于內(nèi)部采用了三極管，三極管本身起到放大的作用，即增大了驅(qū)動(dòng)電流，所以在下面的講解中我們主要側(cè)重講解如何實(shí)現(xiàn)換向功能。

H橋電路可以用如圖6來(lái)表示其原理：

圖6 H橋簡(jiǎn)單電路

從圖中可以看出，其形狀類似于字母“H”,作為負(fù)載的直流電機(jī)像“橋”一樣架在上面，所以稱為“H橋驅(qū)動(dòng)”，4個(gè)開關(guān)所在的位置就稱為“橋臂”。

從圖中可以看出，假設(shè)開關(guān)A、D接通，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，而開關(guān)B、C接通時(shí)，直流電機(jī)將反向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的正反控制。當(dāng)然實(shí)際應(yīng)用中我們還可以得到其它兩種狀態(tài):

1）剎車，即將A、C或B、D接通，則電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)將被短路，形成阻礙運(yùn)動(dòng)的感應(yīng)電流，開成“剎車”作用。

2）惰行，4個(gè)開關(guān)全部斷開，則電機(jī)慣性所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)將無(wú)法開成電路，從而也就不會(huì)產(chǎn)生阻礙運(yùn)動(dòng)的感應(yīng)電流，電機(jī)將慣性轉(zhuǎn)動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間。

以上電路只是說明的原理，實(shí)際電路中我們通常將來(lái)四個(gè)開關(guān)換成三極管。如圖7所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。由于H橋電路可以很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)因而得到了廣泛應(yīng)用。

圖7典型的H橋電路

要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如，如圖圖8所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖9所示為另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流從右至左流過電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

這里需要注意的是，電機(jī)一般會(huì)引出兩個(gè)極，但并無(wú)正負(fù)之分，所謂的正反轉(zhuǎn)也只是我們?nèi)藶槎x，具體要看實(shí)際的應(yīng)用和安裝情況。

圖8電機(jī)正轉(zhuǎn)圖9電機(jī)反轉(zhuǎn)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證H橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要，如果三極管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極，此時(shí)電路中除了三極管外沒有其它任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管?；谏鲜鲈?，在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。

圖10所示就是基于這種考慮的改進(jìn)電路，它在基本的H橋電路的基礎(chǔ)上增加了4個(gè)與門和2個(gè)非門。4個(gè)與門同一個(gè)使能導(dǎo)通信號(hào)相接，這樣，用這一個(gè)信號(hào)就能控制整個(gè)電路的開關(guān)。而2個(gè)非門通過提供一種方向輸入，可以保證任何時(shí)候在H橋的同側(cè)都只有一個(gè)三極管導(dǎo)通。

圖10改進(jìn)后的H橋驅(qū)動(dòng)電路

采用以上方法，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)只需要三個(gè)信號(hào)控制，如圖11：兩個(gè)方向信號(hào)和一個(gè)使能信號(hào)。如果DIR－L信號(hào)為0，DIR－R信號(hào)為1，并且使能信號(hào)是1，那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機(jī)，如圖6所示；如果DIR－L信號(hào)變?yōu)?，而DIR－R信號(hào)變?yōu)?。那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過電機(jī)。

圖11驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的信號(hào)示意圖

4、驅(qū)動(dòng)芯片選擇時(shí)考慮的問題

H橋電路雖然有著許多的優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際的制作過程中，由于元件較多，電路和搭建也較為麻煩，增加了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。所絕大多數(shù)制作中通常直接選用專用的驅(qū)動(dòng)芯片。目前市面上專用的驅(qū)動(dòng)芯片很多，如上面提到的L298N、BST7970、MC33886等，但到底我們應(yīng)該選用哪咱芯片呢，當(dāng)然每種芯片有自己的優(yōu)勢(shì)，我們應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)需要從價(jià)格和性能上綜合考慮才行，這里談三個(gè)方面。