浅谈直流有刷电机的驱动电路
随着电子技术的发展以及消费电子产品的普及，直流有刷电机的应用范围越来越广。从简单的玩具遥控车到复杂的无人机上，我们都能找到直流有刷电机的身影。由于直流有刷电机构造简单，成本低廉，性能稳定，可以相当程度替代价格高昂，体积庞大，控制电路复杂的直流无刷电机和步进电机。使用H桥(H-Bridge)驱动芯片我们也可以精确控制直流有刷电机的方向、速度和制动。
本文将从直流有刷电机和H桥驱动器的基础知识切入，比较集成驱动芯片相对于分立器件在控制直流电机时的优势，最后探讨使用集成H桥驱动芯片控制直流有刷电机时的注意事项。直流有刷电机是将直流电转换成机械运动一种旋转电机，具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单等特点。直流有刷电机的基本构造的组件包括定子（产生磁场的强力永磁铁或电磁铁）、转子（可以绕轴心转动的线圈）、电刷（通常使用碳制成，与换向器接触，用以接至电源）和换向器（转子轴上的两片铜片，随转子转动）这四个部分。定子和转子磁场相互作用驱动电机旋转。定子产生静止磁场，围绕在转子周围。当电刷通电后，转子周围产生磁场，左侧转子被左侧定子的磁场推离，并被吸引到右侧，从而产生转动。原先转子左侧的部分被推倒右侧后依靠惯性继续转动，此时电机轴上还有两个与电刷接触圆弧形的铜片（换向器）将线圈的电流方向逆转，定子所产生的磁场亦同时逆转，使转动的过程得以重复。直流有刷电机具有良好的启动和调速性能，常应用于对启动和调速有较高要求的场合。由于直流有刷电机中的电刷会磨损，需要定期保养更换，随着科技的发展，直流无刷电机已在许多应用中取代了直流有刷电机。但直流有刷电机成本低、控制简单，因此仍然有着广泛的应用。H桥基本知识
H桥(H-Bridge)是一种可以切换施加到负载上的电压极性的桥式电路。这种电路通常用于驱动直流有刷电机，使其向前或向后运行。因为这种桥式电路的结构酷似英文字母“H”，因此被称作H桥电路。一个H桥由四个开关组成，S1和S3组成H桥的高位开关(High-Side Switch)，通常是P型MOSFET或PNP型晶体管，S2和S4组成H桥的低位开关(Low Side Switch)，通常是N型MOSFET或NPN型晶体管。当开关S1和S4闭合，S2和S3打开时，电机被施加正向电压，电机正向运行。打开S1和S4，关闭S2和S3时，电机电压反转，电机反向运行。显然，开关S1和S2绝对不能同时闭合，因为这将导致输入电源短路，这种情况称为“射穿”(shoot-through)。同理开关S3和S4也不能同时闭合。虽然H桥的基本原理很简单，但如果采用分立元件来实现，要注意的事项就比较多了。工程师需要设计一个H桥电路来控制S1-S4的打开与闭合，而且要特别当心在电机转换方向或制动时，如何防止S1/S2或S3/S4同时闭合造成短路损坏器件。如果使用分立器件，工程师必须充分考虑控制电压的电平、如何避免“射穿”、如何设计保护电路以及为每一部分选择合适的器件。所有这些都将H桥电路转化为相当复杂的设计过程，导致元件数量暴增，PCB空间占位变大，成本变得更高，以及最重要的：设计风险会大大提高。因此通常来说，驱动直流有刷电机时，我们都会采用H桥驱动芯片来实现直流电机的控制功能。H桥驱动芯片的基本组成
H桥驱动芯片将输入控制、输出驱动和保护电路都组合到一个封装中。最初的H桥驱动芯片采用的是双极性功率晶体管(BJT)和线性控制电路，这种电路构造简单，但是功率耗散较大。尤其是在线性控制电机速度时的功率损失比较大。后来人们将H桥驱动芯片进行了技术改进，由双极性功率晶体管改为MOSFET作为驱动元件。MOSFET相比于BJT，除了在给定的电压额定值下具有更低的损耗和更小的裸片尺寸外，由电压控制的MOSFET比电流驱动的BJT更容易被单片机等控制单元驱动。除了更高的效率外，MOSFET型H桥驱动上采用的脉宽调制还能提供更精确的电机速度控制以及更快的响应。功率MOSFET的持续进步使芯片裸片尺寸越来越小，导通电阻(RDS_ON)也越来越低。如今，采用H桥驱动控制芯片的电机控制电路在电路板上的尺寸比采用分立元件实现的H桥电路要小得多，大概仅为后者的四分之一左右。本号对所有原创、转载文章的陈述与观点均保持中立，推送文章仅供读者学习和交流。文章、图片等版权归原作者享有，如有侵权，联系删除。
