单开关电路驱动、半桥电路驱动

作为有刷电机驱动方法的最后一篇文章,本文将介绍通过有刷电机“单开关电路”和“半桥电路”进行驱动的方法。两种方法均适用直流驱动和PWM驱动。

通过单开关电路进行驱动

通过单开关电路进行驱动示例图

这是使用一个开关创建两种状态的电路,一种状态是将直流电源的(+)和(-)连接到电机,另一种状态是断开电机与直流电源的(+)或(-)的连接。因其可以通过一个开关实现而被称为“单开关电路”。

当开关导通时,电机根据极性在一个方向上旋转;而当开关关断时,电压消失,电机空转后停止。开关的位置可以在①的(-)侧,也可以在③的(+)侧。也可以用半导体功率晶体管(图中的MOSFET)代替开关来构成电子电路。如②所示设置在(-)侧时,使用Nch MOSFET;如④所示设置在(+)侧时,使用Pch MOSFET。

使用功率晶体管时有一些注意要点。在该电路中,在开关刚刚OFF后,电机的电感量即试图使电流继续保持流动,因此在①中,电机(-)侧的电压达到电源电压以上;在③中,电机(+)侧的电压达到GND以下。该电压超过电源电压的几倍。因此,在使用功率晶体管时,需要按照②和④电路图所示,将功率二极管与电机并联连接,并通过用二极管的正向电压抑制(钳制)产生的电压来保护晶体管。

当有该钳位二极管时,在电机产生的电压高于二极管正向电压期间内,电机产生的电流将流过该二极管,因此转矩的作用方向与旋转方向相反,成为短路制动动作,电机快速停止。

在该电路中也可以使用PWM驱动;也可以通过检测电机电流并负反馈,从而进行电流驱动。

通过半桥电路进行驱动

通过半桥电路进行驱动示例图

如图所示,在电源之间级联连接两个开关的电路,因其是使用四个开关的H桥(全桥)的一半而被称为“半桥电路”。另外,由于一个H桥按1ch计算,因此有时也被称为“0.5ch”。

当在①中接通SW2、在③中接通SW1时,电机将根据极性在固定方向上旋转。在①中,如果在旋转状态下关断SW2并同时接通SW1,就会发生短路制动动作,电机会迅速停止。在③中则相反,当关断SW1的同时接通SW2时,将发生短路制动动作。此外,当在旋转状态下将①和③的SW2和SW1都关断时,电压消失,电机空转后停止。

与前述的单开关电路一样,①和③的开关部分可以用半导体功率晶体管替代。在该电路示例中,在直流电源的(-)侧使用了Nch MOSFET,(+)侧使用了Pch MOSFET。由于MOSFET有寄生二极管,因此即使在空转状态将Q1和Q2断开,与电机并联连接的MOSFET的寄生二极管也会再生电流,从而产生与短路制动相同的动作。只要电机的产生电压不降到寄生二极管的正向电压以下,这种短路制动状态就会持续。

与H桥电路一样,由于在半桥电路中也有两个串联在电源和GND之间的开关(晶体管),因此预驱动电路中也需要防止同时导通控制功能,以确保开关切换时两个开关不会同时导通。如果两个开关同时导通,则称为“直通电流”的大电流可能会流过电源间,并可能会损坏开关(晶体管)。

另外,为了创建旋转、制动和空转这三种输出状态,需要准备两个二进制输入或一个三进制输入。如果只有一个二进制输入,则只能从三种输出状态中选择两种。

该电路也可以使用PWM驱动;也可以通过检测电机电流并负反馈来进行电流驱动。

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