通过H桥驱动感性负载的直流电机驱动设计方案

什么是H桥？

H桥是一个比较简单的电路，通常它会包含四个独立控制的开关元器件（例如MOS-FET）,它们通常用于驱动电流较大的负载，比如电机，至于为什么要叫H桥（H-Bridge），因为长得比较像字母H，具体如下图所示；

这里有四个开关元器件Q1，Q2，Q3，Q4，另外还有一个直流电机M，D1，D2，D3，D4是MOS-FET的续流二极管；

开关状态

下面以控制一个直流电机为例，对H桥的几种开关状态进行简单的介绍，其中正转和反转是人为规定的方向，实际工程中按照实际情况进行划分即可；

正转

通常H桥用来驱动感性负载，这里我们来驱动一个直流电机；

● 打开Q1和Q4；

● 关闭Q2和Q3；

此时假设电机正转，这电流依次经过Q1，M，Q4，在图中使用黄色线段进行标注，具体如下图所示；

另外一种状态则是电机反转；此时四个开关元器件的状态如下；

● 关闭Q1和Q4；

● 打开Q2和Q3；

此时电机反转（与前面介绍的情况相反），这电流依次经过Q2，M，Q3，在图中使用黄色线段进行标注，具体如下图所示；

反转

调速

如果要对直流电机调速，其中的一种方案就是；

● 关闭Q2，Q3；

● 打开Q1，Q4上给它输入50%占空比的PWM波形，这样就达到了降低转速的效果，如果需要增加转速，则将输入PWM的占空比设置为100%；

具体如下所示；

停止状态

这里以电机从正转切换到停止状态为例；

● 正转情况下；Q1和Q4是打开状态；

● 这时候如果关闭Q1和Q4，直流电机内部可以等效成电感，也就是感性负载，电流不会突变，那么电流将继续保持原来的方向进行流动，这时候我们希望电机里的电流可以快速衰减；

这里有两种办法：

第一种：关闭Q1和Q4，这时候电流仍然会通过反向续流二极管进行流动，此时短暂打开Q1和Q3从而达到快速衰减电流的目的；

第二种：准备停止的时候，关闭Q1，打开Q2，这时候电流并不会衰减地很快，电流循环在Q2，M，Q4之间流动，通过MOS-FET的内阻将电能消耗掉；

应用

实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，市面上已经有很多比较常用的IC方案，比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。接上电源、电机，通过输入控制信号就可以驱动电机了；

下面是某宝上的L298N模块，比较常见，对于新手玩家非常友好，接线也十分简单；

L298N模块

这个模块有一个板载5V稳压器，该稳压器可使用跳线的方式进行使能。

如果电机电源电压高达12V，我们可以启用5V稳压器，并且5V引脚可以用作输出，例如给Arduino板供电。

但是，如果电动机电压大于12V，则必须断开跳线，因为这些电压会损坏板载5V稳压器。

在这种情况下，5V引脚将用作输入，因为我们需要将其连接到5V电源，以使IC正常工作。

我们在这里可以注意到，该IC的电压降约为2V。因此，如果使用12V电源，则电动机端子上的电压约为10V，这意味着我们将无法从12V直流电动机中获得最大速度。

这里使用Arduino为例，这是网上找的一个Demo整体的框架如下图所示；

架构

#define enA 9

#define in1 6

#define in2 7

#define button 4

int rotDirection = 0;

int pressed = false;

void setup() {

pinMode(enA, OUTPUT);

pinMode(in1, OUTPUT);

pinMode(in2, OUTPUT);

pinMode(button, INPUT);

// Set initial rotation direction

digitalWrite(in1, LOW);

digitalWrite(in2, HIGH);

}

void loop() {

// Read potentiometer value

int potValue = analogRead(A0);

// Map the potentiometer value from 0 to 255

int pwmOutput = map(potValue, 0, 1023, 0 , 255);

// Send PWM signal to L298N Enable pin

analogWrite(enA, pwmOutput);

// Read button - Debounce

if (digitalRead(button) == true) {

pressed = !pressed;

}

while (digitalRead(button) == true);

delay(20);

// If button is pressed - change rotation direction

if (pressed == true & rotDirection == 0) {

digitalWrite(in1, HIGH);

digitalWrite(in2, LOW);

rotDirection = 1;

delay(20);

}

// If button is pressed - change rotation direction

if (pressed == false & rotDirection == 1) {

digitalWrite(in1, LOW);

digitalWrite(in2, HIGH);

rotDirection = 0;

delay(20);

}

}

简单描述一下：首先我们需要定义程序所需的引脚和变量。

在setup()中，我们需要设置引脚模式和电机的初始旋转方向。

在loop()中，我们先读取电位器值，然后将从中获得的值从0到1023变化，线性映射到PWM信号的0到255的值，将其从0到100％的占空比。

然后使用analogWrite()函数将PWM信号发送到L298N板的Enable引脚，该引脚实际上驱动电动机。

接下来，我们检查是否按下了按钮，如果是的话，我们将输入1和输入2的状态反置，从而改变电动机的旋转方向。该按钮将用作切换按钮，每次按下该按钮都会改变电动机的旋转方向。

某宝上这种小车很多，如下图所示；主控可以换成51单片机或者STM32，当然Arduino也没问题，使用L298N就可以快速搭建一个小车了；

某宝的小车

总结

本文简单介绍了H桥的原理，并以直流电机为例简单介绍了驱动的状态，整体比较简单，适合新手玩家，最后给出了基于Arduino和L298N的驱动示例，仅供参考。

编辑：hfy