電機驅動(dòng)電路之H橋基本知識---Trinamic電機驅動(dòng)芯片

　　H橋是一種電子電路，可使其連接的負載或輸出端兩端電壓反相/電流反向。

這類(lèi)電路可用于機器人及其它實(shí)作場(chǎng)合中直流電動(dòng)機的順?lè )聪蚩刂萍稗D速控制、步進(jìn)電機控制（雙極型步進(jìn)電機還必須要包含兩個(gè)H橋的電機控制器），

電能變換中的大部分直流-交流變換器（如逆變器及變頻器）、部分直流-直流變換器（推挽式變換器）等，以及其它的功率電子裝置。

　　H橋是一個(gè)典型的直流電機控制電路，因為它的電路形狀酷似字母H，故得名曰“H橋”。

4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠（注意：概述圖中只是簡(jiǎn)略示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅動(dòng)電路沒(méi)有畫(huà)出來(lái)）。

H橋電路中間有一個(gè)直流電機M。D1、D2、D3、D4是MOS-FET的續流二極管；

開(kāi)關(guān)狀態(tài)

    下面以控制一個(gè)直流電機為例，對H橋的幾種開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，其中正轉和反轉是人為規定的方向，實(shí)際工程中按照實(shí)際情況進(jìn)行劃分即可。

正轉

    通常H橋用來(lái)驅動(dòng)感性負載，這里我們來(lái)驅動(dòng)一個(gè)直流電機：

• 打開(kāi)Q1和Q4

• 關(guān)閉Q2和Q3

    此時(shí)假設電機正轉，電流依次經(jīng)過(guò)Q1、M、Q4 ，如下圖中紅色線(xiàn)條所示。

反轉

    另外一種狀態(tài)則是電機反轉，此時(shí)四個(gè)開(kāi)關(guān)元器件的狀態(tài)如下：

• 關(guān)閉Q1和Q4

• 打開(kāi)Q2和Q3

    此時(shí)電機反轉，電流依次經(jīng)過(guò)Q2、M、Q3 ，如下圖中紅色線(xiàn)條所示。

調速

    如果要對直流電機調速，其中的一種方案就是：

• 關(guān)閉Q2和Q3

• 打開(kāi)Q1 ，Q4上給它輸入50%占空比的PWM波形

     這樣就達到了降低轉速的效果，如果需要增加轉速，則將輸入PWM的占空比設置為100%，電流方向如下圖中紅色線(xiàn)條所示。

停止狀態(tài)

    這里以電機從正轉切換到停止狀態(tài)為例。

    正轉時(shí)Q1和Q4是打開(kāi)狀態(tài)，這時(shí)候如果關(guān)閉Q1和Q4，直流電機內部可以等效成電感，也就是感性負載，電流不會(huì )突變，那么電流將繼續保持原來(lái)的方向進(jìn)行流動(dòng)，這時(shí)候我們希望電機里的電流可以快速衰減。

    這里有兩種辦法。

    第一種：

    關(guān)閉Q1和Q4，這時(shí)候電流仍然會(huì )通過(guò)反向續流二極管進(jìn)行流動(dòng)，此時(shí)短暫打開(kāi)Q1和Q3從而達到快速衰減電流的目的，電流方向如下圖中紅色線(xiàn)條所示。

 第二種：

    準備停止的時(shí)候，關(guān)閉Q1、打開(kāi)Q2，這時(shí)候電流并不會(huì )衰減地很快，電流循環(huán)在Q2、M、Q4之間流動(dòng)，通過(guò)MOS-FET的內阻將電能消耗掉。

補充-另外一種H橋電路

    上文中是包含4個(gè)N型MOS管的H橋，

另外還有包含2個(gè)N型、2個(gè)P型MOS管的H橋，下圖就是這種H橋電路。

它由2個(gè)P型場(chǎng)效應管Q1、Q2與2個(gè)N型場(chǎng)效應管Q3、Q4組成，橋臂上的4個(gè)場(chǎng)效應管相當于四個(gè)開(kāi)關(guān)。

相對于前文4個(gè)N型MOS管的H橋電路，此電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是無(wú)論控制臂狀態(tài)如何（絕不允許懸空狀態(tài)），H橋都不會(huì )出現“共態(tài)導通”（短路）。

MOS管開(kāi)關(guān)電路原理

    P型MOS管在柵極為低電平時(shí)導通，高電平時(shí)關(guān)閉。

    N型MOS管在柵極為高電平時(shí)導通，低電平時(shí)關(guān)閉。

正轉

    場(chǎng)效應管是電壓控制型元件，柵極通過(guò)的電流幾乎為“零”。

     正因為這個(gè)特點(diǎn)，在連接好上圖電路后，控制臂1置高電平（U=VCC）、控制臂2置低電平（U=0）時(shí)，Q1、Q4關(guān)閉，Q2、Q3導通。

    此時(shí)，電機左端低電平、右端高電平，所以電流沿箭頭方向流動(dòng)，設定此時(shí)為電機正轉。

下面是Trinamic電機驅動(dòng)芯片的步進(jìn)電機系統架構。

 可以看到，芯片集成了預驅?zhuān)瑱z測和保護電路。預驅也包含微步相序和分配邏輯。

芯片內部也集成了功率橋來(lái)節省外圍器件。