STM32+IR2104S的H桥电机驱动电路详解

发表于 2023-10-19 13:52

电机：俗称“马达”，依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。包括：电动机和发电机。
电动机在电路中是用字母M表示，它的主要作用是产生驱动转矩；作为用电器或各种机械的动力源，发电机在电路中用字母G表示，它的主要作用是利用机械能转化为电能。
电机控制：对电机的启动、加速、运转、减速及停止进行的控制。

发表于 2023-10-19 13:53

直流有刷电机
直流有刷电机(Brushed DC，简称BDC)，由于其结构简单，操控方便，成本低廉，具有良好的扁动和调速性能等优势，被广泛应用于各种动力器件中，小到玩具，按钮调节式汽车座椅，大到印刷机械等生产机械中都能看到它的身影。
直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。

发表于 2023-10-19 13:53

优点：价格低、控制方便
缺点：由于电刷和换向器的存在，有刷电机的结构复杂，可靠性差，故障多，维护工作量大，寿命短，换向火花易产生电磁干扰。

发表于 2023-10-19 13:55

2.步进电机
步进电机就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构；更通俗一点讲：当步进驱动器接收到个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。我们可以通过控制脉事的个数来控制电机的角位移量，从而达到精确定位的目的；.同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

发表于 2023-10-19 13:55

优点：控制简单，低速扭矩大，成本低；
缺点：步进电机存在空载启动频率，所以步进电机可以低速正常运转，但若高于一定速度时就无法启动，并伴有尖锐的啸叫声；同时，步进电机是开环控制，控制精度和速度都没有伺服电机那么高。

发表于 2023-10-19 13:55

3.伺服电机
伺狠电机广泛应用于各种控制系统中，能将输入的电压信号(或者脉冲数)“转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控制元件，从而达到控制目的。伺服电机系统见下图。一般地，、要求转矩能通过控制器输出的电流进行控制；电机的反映要快、体积要小、控制功率要小。伺服电机主要应用在各种运动控制系统中，尤其是随动系统。
伺服电机有直流和交流之分，最早的伺服电机是一般的直流有刷电机，在控制精度不高的情况下，才采用一般的直流电机做伺服电机。当前随着永磁同步电机技术的飞速发展，绝大部分的伺服电机是指交流永磁同步伺服电机或者直流无刷电机。

优点：可使控制速度，位置精度非常准确，效率高，寿命长。
缺点：控制复杂，价格昂贵，需要专业人士才能控制。

发表于 2023-10-19 13:56

4.无刷直流电机
无刷直流电机【BLDCM】是在有刷直流电机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波(方波)，另一种是正弦一般的，把方波驱动的叫做直流无刷电机(BLDC)；把正弦波驱动的叫做永磁同步申机(PMSM)，这个实际上就是伺服电机。
直流无刷电机与伺服电机有类似的优缺点。BLDC电机比PMSM电机造价便宜一些，驱动控制方法简单一些

发表于 2023-10-19 13:56

.直流减速电机

发表于 2023-10-19 13:57

减速电机的重要参数
电机一般还有一个最小启动电压，就是可以使得电机(无负载)、开始旋转的电压值。为保证电机正常工作，一般需要接到电机两端的电压值范围为：最小一动电压至额定电压。并且在这个电压值范围内才认为转速与电压成正比。
电机线圈是有铜导线绕线而成的，所以其电机电枢绕组电阻一般都是非常小这样回路中电流一般都是比较大的。这对我们电机驱动设计有很大的影响。
另外，电机还有一个比较重要的参数：扭矩。
简化理解扭矩就是电机可以带动外部部件旋转的力量，在物理上用转矩来描述，单位为：N.m（常用单位有：Kg.cm）。大扭矩可以带动比较重的东西。
一般认为：直流电机的扭矩和电流成正比。

发表于 2023-10-19 13:57

6.直流减速电机驱动设计
直流电机旋转：给电机两根线供电电机就可以旋转，给正电压电机正转，给相反电压电机反转；电压越太，电机转得越快，电压越小，转速也变小。
我们**S1M32可以方便的调整电机速度，但STM32的IO接口电压和电流一般都是非常有限的，电压是3.3V，电流是8mA，所以为方便控制需要在微控制器和电机直接添加个驱动电路板，该电机驱动板有两种输入线：电源输入线和控制信号输入线。电源输入线一般要求是可以提供电机额定电源的大电流电源，一般来说电机所需要的电压和额定电流是多少，那么就要给电机驱动板提供多大的电压和电流，它是给电机提供动力的来源。控制信号线与微控制器的信号线连接，是实现调速的方法，一般是PWM的可调方波信号。电机驱动板还有一个输出线，有两个接口，它与直流电机的引脚直接连接。注意，这里的电机驱动板输出线是应该一系列电路之后才输出的，也就是通过输入信号调制后的输出线。
电机控制都是必须有驱动器的。

发表于 2023-10-19 14:02

如果不需要正反转控制(单向旋转)，可以用下图驱动电路，实现电机单向控速。

发表于 2023-10-19 14:05

发表于 2023-10-19 14:05

当开关A和D闭合、B和C断开时直流电机正常旋转，记该旋转方向为正方向。
◆当开关B和C闭合、A和D断开时直流电机正常旋转，记该旋转方向为反方向。
◆当开关A和C闭合、B和D断开或者当开关B和D闭合、A和C断开时直流电机不旋转。此时可以认为电机处于“刹车”状态，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。
◆当开关A和B闭合或者当开关C和D闭合时直接电源短路，会烧毁电源，这种情况严禁出现。
◆当开关A、B、C和D四个开关都断开时候，认为电机处于“惰行”状态，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。

发表于 2023-10-19 14:06

这样简单的控制开关状态就可以控制电机的选择方向。
从上图中可以看到，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”。
在电路中可以做电子开关的有三极管和MOS管。可以使用这两种器件代替开关从而实现

发表于 2023-10-19 14:06

发表于 2023-10-19 14:07

7.H桥电路分析
下面开始以MS管搭建的H桥电路解释电机正反转控制。要使电机运转，必须使对角线上的一对MOS管导通。如图，当Q1管和Q4管导通时(此时必须保Q2和Q3关断)，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
另一对MOS管2相Q3导通的时候（此时必须保证Q1和Q4关断），电流从右至左流过电机，从而驱动电机沿逆时针方向转动。驱动电机时，保证H桥两个同侧的MOS管不会同时导通非常重要，如果MOS管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从电源正极穿过两个MOS管直接回到负极，此时电路中除了MOS管外没有其它任何负载，因此电路上的电流就达到最大值，烧坏MOS管和电源。Q3和Q4同时导通是同样的道理。
驱动电机时，保证用桥两个同侧的M0S管不会同时导通非常重要，如果MOS管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从电源正极穿过两个MOS管直接回到负极，此时电路中除了MOS管外没有其它任何负载，因此电路上的电流就达到最大值，烧坏MS管和电源。Q3和Q4同时导通是同样的道理。

发表于 2023-10-19 14:08

发表于 2023-10-19 14:08

简单的开关只能控制电机正反转，引入PWM控制可以实现方向和速度调节。
调节占空比实现控速，占空比越大平均电压（电流）越大，速度越快PWM频率一般在10KHz~20KHz之间。频率太低会导致电机转速过低，噪声较大。频率太高，会因为MOS管的开关损耗而降低系统的效率。
根据不同桥臂的PWM控制方式不同，大致上可以分为三种控制模式：
受限单极模式》单极模式》双极模式。

发表于 2023-10-19 14:08

1.受限单极模式
● 受限单极模式：电机电枢驱动电压极性是单一的

优点：控制电路简单。
缺点：不能刹车，不能能耗制动，在负载超过设定速度时不能提供向力矩。调速静差大，调速性能很差，稳定性也不好。

发表于 2023-10-19 14:09

2.单极模式
单极模式：电机电枢驱动电压极性是单一的。

优点：启动快，能加速，刹车，能耗制动，能量反馈，调速性能不如双极模式好，但是相差不多，电机特性也比较好。在负载超速时也能提供反向力矩。
缺点：刹车时，不能减速到0，速度接近0速度时没有制动力。不能突然倒转。动态性能不好，调速静差稍大。

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