H桥驱动直流电机的详细笔记

如何驱动直流电机H桥驱动

直流减速电机驱动设计

MOS管控制直流

我们知道单个MOS管可以控制直流电机的启动与停止，但是不能控制直流电机的正反转状态。如果要实现正反转，就需要用到H桥。

有两个MOS管组成的称为一个半桥。在上面的上桥臂也叫上管，在下面就下桥臂也叫下管。
两个半桥组成一个完整的H桥。

我们看看H桥的拓扑结构，中间连接的负载也就是直流电机。

假设我们在4个MOS管连接上MCU的引脚就可以控制4个MOS管来控制电流的流通状态，最终我们可以实现直流电机的正反转以及调速和刹车。

H桥电路分析

正反转

正转

假设要4个管通用不同的电流会有什么变化，我们来看看。

Q1导通，Q4导通。很明显，直流电机流过了电流。现在以为以他为正转。

反转

而Q1截止Q4截止 Q3导通。 Q2导通。直流电机就是反转。

损坏

当一个半桥。 Q1跟Q2导通很明显，电源VCC直接到GND地很明显是在短路状态。很容易烧坏MOS管。
上下桥同时导通的原因有：（1）MOS管的自带延时通断 （2）单片机的逻辑控制错误。

例如：
电机现在是正转，突然来一个反转信号而导致MOS管的开关时间没有迅速关断状态。最终导致一个半桥的导通。最终短路损坏MOS管

原因分析

电机正好从正转切到反转时Q1的下降沿正好对准Q2的上升沿，由于MOS管的通道，实际的边缘可能会有不同程度的滞后，这就导致某一时刻上下两MOS管的控制电压，同时为高电平时从而导致上管和下管导通。
为了让避免上下MOS管的道通需要加入死区。所谓的死区就是在上下两路控制信号的上升和下降沿之间，插入一小段头为低电平的区间，大约几百纳秒，从而避免上下两管的同时导通。

现在的MCU都有控制死区的组件。比如有stm32，还有STC等单片机。

如STC8H手册中的死区寄存器，详细的可以下载看看，里面包括有控制电机的代码和原理图

刹车

我们知道线圈有一个很大的特点。当电流减少时它会阻碍该电流的减弱。我们就是利用续流回路的特性。
可以使用直流电机将两个导线短接可以明显感觉到有一定的阻力。

当Q1跟Q3导通。 Q2跟Q4截止。也就是说上两个管的上桥臂导通。起到刹车作用。也或者也可以Q1跟Q3的截止Q2跟Q4倒通也起到同样的作用。直流电机会刹车。

调速

当上桥臂Q1输入信号为PWM模式，Q4为导通状态。那么经过pwm的占空比。直流电机的速度随之变化。占空比越大，速度就越快，占空比越少速度就越慢。当然也可以为。 Q4为输入PWM Q1导通。

单片机引脚驱动？

单片机能否直接驱动NMOS和PMOS管吗？当中还需要什么条件来驱动MOS？

关键参数：
VGSTH
RDSON对应的VGS电压 ：栅极开启电压

图片
假如下桥使用的是si2302MOS管。

从数据手册中可以看到Vgs导通电压。为0.5~1.5伏。但是要注意这是最低的开启电压。
让MOS管完全导通的电压为以下图所示。

从上面截图可以看出VGS=4.5伏V时，内阻为65mΩ；当VGS=2.5时，内阻为80mΩ。结论是单片机可以直接驱动下桥臂，前提是相对应的电压要符合要求。

那上桥臂可不可以跟下桥臂一样呢？

在9V电源电压下，Q1跟Q4的MOS管道通，Q1的MOS S极连接电机端点处就有9V电压，由此VGS=3.3-9V=-5.7V 结果是VGS<0 不符合MOS管开启条件,也就是说MOS管开了一瞬间就马上关闭了。所以上桥臂使用N沟道的MOS管是无法使用单片机来控制的。要用到附加器件自举升压电路辅助。

既然上桥无法使用NMOS管来开启那么使用PMOS管会这么呢？
导通条件VGS<0 VG<VS
断开条件VGS>0 VG>VS

上桥使用的是si2301MOS管。手册数据如下

可以看到使用si2301MOS管。它的VGS为-2.5V。

最终我们使单片机输出0V。可以让PMOS导通。Vs=9V， VGS=-9V 导通
但是想要关闭就行不通了。可以看到栅极开启电压VGS为-04.~-1.5V 让其关断应 VGS>-1.5V
单片机输出。VG=3.3V Vs=9V VGS=3.3 – 9=-5.7 依然道通。

断开需满足3.3V-VCC>Vgs (th)

VM=12V， 当G极控制电压为12V， VGS=12V-VM=0V 所以上桥使用12V也是行不通的。
为了让上条跟管导通后。不会因为S端的电压。 升高而关断。升高而关断就要驱使G端的电压和S端一起升高，并且让G端的电压始终比G端的电压高出12V，以确保上桥NMOS管能够持续导通，要实现这一功能，我们可以使用现成的芯片 有IR2103

自举电压核心器件为二级管+电容

对于下桥臂Q2MOS管可以使用STM32芯片引脚直接控制，因为STM32的PWM高电平是3.3V足够使N-MOS管导通。上桥臂Q1 MOS管无法直接使用STM32芯片引脚使其导通，因为假设Q1导通，漏极D和源极S电压几乎相等（Ros非常小），即VA=VCC=12V，这样要求Vg>=Va+Vgs=14.5V。简单来说就是 Vg > 14.5V，Q1导通，Vg< 14.5V，Q1截止。

最终得出结论

上桥臂驱动：自举电路
  下桥臂驱动：电平控制

所谓半桥驱动芯片，便是一块驱动芯片只能用于控制H桥一侧的2个MOS管。因此采用半桥驱动芯片时，需要两块该芯片才能控制一个完整的H桥。
  相应的，全桥驱动芯片便是可以直接控制4个MOS管的导通与截止，一块该芯片便能完成一个完整H桥的控制。

半桥驱动芯片EG3013 看下芯片特性

内部结构框图

引脚功能(来源于数据手册)

自举电路
此部分是理解该芯片的难点，需要进行重点讲解。从上面的典型电路图和最初的设计原理图中均可发现：该芯片在Vcc和VB脚之间接了一个二极管，在VB和VS之间接了一个电容。这便构成了一个自举电路。

作用：由于负载(电机)相对于上桥臂和下桥臂MOS位置不同，而MOS的开启条件为Vgs>Vth，这便会导致想要上桥臂MOS导通，则其栅极对地所需的电压较大。
  因为下桥臂MOS源极接地，想要导通只需要令其栅极电压大于开启电压Vth。而上桥臂MOS源极接到负载，如果上桥臂MOS导通，那么其源极电压将上升到H桥驱动电压也就是MOS的供电电压，此时如果栅极对地电压不变，那么Vgs可能小于Vth，又关断。因此想要使上桥臂MOS导通，必须想办法使其Vgs始终大于或一段时间内大于Vth（即栅极电压保持大于MOS管的电源电压+Vth）。

电路设计