直流有刷电机介绍和H桥驱动电路基础

欢迎来到 TI 在线培训 在这个视频中我将向您介绍直流有刷电机 以及它的驱动电路 H 桥的基本原理和特性 直流有刷电机因其价格低廉驱动简单 被广泛应用在非常多的领域 比如我们在这里为您列举出的 气表中的截止阀 电动遮阳帘 咖啡机中的研磨器 打印机中的走纸和切纸机 监视摄像头当中的 滤光镜片以及转动用的电机 电子门锁、扫地机器人 和我们许多玩具机器人 电机的基础知识电磁场 在通电的导体周围会产生磁场 在通电的线圈内会产生沿轴向分布的磁场 当我们改变线圈内的电流方向时 磁场的南北极会翻转 产生的磁通强度和线圈内通的 电流的大小成正比 同时也和线圈的匝数成正比 磁场中 带电的导体会受到洛仑磁力的作用 洛伦磁力的方向可以用右手法则来确定 电机的运转就是使用了洛伦磁力 直流有刷电机通常由定子、转子 电刷和换向器组成 定子通常为永磁体 由它在电机内部提供稳定的磁场 转子通常是线圈 由它来扮演在磁场中通电导体的角色 电刷是将电流 通向换向器的机械触点 电刷和换向器配合 保证在电机运转中 电流始终与磁场有90度的夹角 以产生最大的力矩 这是直流有刷电机的基本原理图 在上面我们可以看到由定子产生的磁场 以及在转子上产生的洛伦磁力的方向 请记住两个基本的概念 直流有刷电机运转的速度 与其工作电压成正比 其产生的力矩与通过其转子的电流成正比 这是一个实际被拆解的直流有刷电机 让我们一起来看一下 定子、转子和电刷都长得是什么样子 实际的换向器被分割成了非常多的小块 以保证只有与磁场成90度位置的 线圈才会被通电 在上面我们也可以看到有许多 由电刷摩擦所产生的擦痕 直流有刷电机的优点在于 系统成本非常低廉 控制简单 可以有非常高的起动力矩 可以由交流电或者直流电驱动 它的不足在于 电刷和换向器存在机械接触 所以其可靠性低、寿命短 速度和效率不高 换向器处容易产生电火花 不适用于易燃的环境 电机会产生比较严重的 EMI 干扰问题 所有的热量都会集中在转子上 且不易被冷却 让我们来看一个最简单的驱动电路 单极性直流有刷电机驱动电路 在一侧的电刷上施加工作电压 另一侧连接一个 MOS 管 只需打开这个 MOS 管就可以使电机转动 关闭它就可以使电机停止转动 在这里需要一个二极管来保护 MOSFET 并提供续流和电流衰减 请注意这个电路并不能实现电机的反转 但要实现电机正反转时 我们需要使用到双极性驱动电路 也就是我们通常所说的 H 桥电路 H 桥中 一个对边的 MOS 管打开 将提供正向工作电流使电机正转 另一对相的 MOS 管打开后 将提供反向工作电流使电机反转 当 H 桥一侧的高边与低边同为 off 的时候 输出为高阻 当一侧的高边为 on 低边为 off 的时候输出为高 当一侧的高边为 off 低边为 on 的时候输出为低 请注意绝对不能允许 同一侧的高边与低边同时打开 这种情况叫 Shoot-through 会导致 MOS 管烧毁 直流有刷电机在启动和堵转的时候 会产生一个非常大的电流 这个电流的最大值可以是 工作电压除以线圈的电阻 因此在实际驱动芯片中我们提供 限电流的一个功能 限电流值一般由三个参数确定 VREF 参考电压 可以是芯片内部提供或者外部 pin 脚输入 AV 内部的电流检测运放的增益值 RSENSE 电流检测电阻的阻值 使用了限电流功能以后 我们可以大大的限制启动电流 在左下侧的图中我们可以看到 这个电机的启动电流可以超过14安培 而在右图中我们可以看到 有了限电流功能以后 这些电流被限制在了一半以下 这也允许你使用 标称的驱动电流能力小于启动电流的 电机驱动芯片 原本的电流检测电路要求在芯片外部 安装一个低阻值、高精度 大功率的电流检测电阻 这个电阻通常要求封装在1206或以上 占据非常大的 PCB 面积 TI 的新技术将电流检测放到了芯片内部 而只需要在外部连接一个 较小的电阻来设定限流值可以了 您可以使用0402或更小的封装 这将大大减少 PCB 上的面积 在限电流的精度上面 我们可以看到 在实际测试中 无论是外部的电流检测电阻的方式 还是内部的电流检测电路的方式 TI 的芯片都可以实现非常高的电流控制精度 非常感谢您收看本视频 如果您有任何问题 非常欢迎您通过 TI 在线社区 或其它方式与我们联系 也欢迎您收看 TI 在线培训的其它视频 谢谢