直流有刷电机驱动原理图设计（二）

一、 项目名称：《直流电机驱动器设计》

二、 原理图设计第二部分

大家好，上次的电路设计中还有实现直流电机正反转的电路没有完成，今天我们一起来完善下这部分电路。

首先，根据我们之前的项目需求分析，从电机的参数情况，我们选择了B772（PNP型功率三极管）和D882（NPN型功率三极管），基于这两种三极管型号，搭建H桥模块电路。

在H桥模块电路中，上桥使用B772，下桥采用D882，组成的H桥示意图如下图所示：

那么，这个H桥的工作原理是什么样呢？我们可以一起来分析一下。首先，我们假设图中的电机绕组中的电流由电机的1脚流向2脚，电流流向如下图所示：

那么电机绕组中流过的电流是从哪里来的呢？也就是我们要考虑此时的源是谁？源是不是图中的 5V电压源啊？源有了，需要确定回路，回路是不是要从源的正极出发，回到源的负极啊？然后图中示意的电流回路要形成，图中的Q1和Q8两个三极管就需要导通了，这样才能形成完整的电流回路。

为了更好的描述此时的电流回路，我们 5V源使用一个Vbus电容来表示，此时电流的回路我们可以表示如下：

好了，这个电流回路是没问题的，我们说我们的驱动板支持正反转控制，那么在切换方向前，需要将之前开通的三极管给关闭，状态如下图所示:

这个时候我们来看啊，上一个状态时对电机绕组进行充电了，如果我们把H桥中的四个管子都关闭，那么电机绕组中的没有地方流动了，也就是说此时能量没有泄放回路了，假设我们把电机绕组看成电感的话，那么此时也就是电感断路了，是不是会对开关三极管造成损伤啊？

因此在我们的这个电路中就需要增加当所有管子都关闭时的绕组续流回路，增加续流回路的话，我们可以在功率三极管的CE之间并联二极管即可，如下图所示:

然后，此时我们再来分析续流回路，绕组续流时，所有管子都关闭了，但是绕组的电流方向不变，此时的源我们需要搞清楚，源应该变成了电机绕组，然后从电机的2脚出发，然后回到电机的1脚，此时的续流回路如下图所示:

这样电机绕组的续流回路就建立起来了，接下来就可以开通管子Q2和Q7了来让电机往另一个方向进行转动了。那么关于另一个方向的分析，这里就不再赘述了，跟我们上面分析的方法一致，大家可以自行分析。

上面是给大家讲解了下H桥控制的原理，对于H桥中的三极管要进行导通，我们就需要给四个管子分别设计相应的驱动电路了。

因为我们是使用单片机控制，控制的方式为上桥电平控制，下桥PWM控制，而对于B772和D882三极管，当它们的CE需要比较大的电流时，例如2A的电流，则相应的IB驱动电流也需要增大，具体是多大呢？我们可以查看下B772和D882的数据手册：

大家可以看到，上图为VCE和IC的关系，从图中，我们也可以看出当IB比较小时，IC的电流也相应的小，如果IC要能达到2A，那么则需要的IB驱动电流就需要10mA以上。

而我们单片机的话，IO引脚的驱动能力是很小的，不能够直接使用单片机引脚来驱动功率三极管，因此我们需要单独的给B772和D882设计相应的驱动电路。

那么我们就想了，要想通过一个小电流得到比较大的电流，我们还是想到了三极管，如果三极管Ic电流小的话，相应的IB电流就可以小，通过上图分析，如果B772和D882的IC电流要达到2A的话，IB需要10mA。如果我们使用一个普通的三极管（如3904）,我们只需要给3904的IB1mA的驱动电流，则IC就可以有100mA的电流，因此，我们可以使用3904三极管来驱动B772和D882，这样可以设计出如下电路:

然后我们来看，当LH为高时，此时Q4导通，那么三极管Q1的1脚就为低，此时从逻辑上，Q1导通是没问题的，但是，我们说电路设计需要考虑好源 回路 阻抗，那么源是 5V，回路是从 5V出发，回到 5V的地，但是缺少阻抗，这样的话Q1的IB电流就会比较大，从而导致三极管Q1损坏了，因此我们可以增加一个电阻来限制IB电流，那么我们说，如果Q1的电流要能达到2A的话，IB电流需要10mA以上，这个时候，我们可以来计算一下，IB阻抗为多少?也就是下图中的R5应该如何取值？

从图中我们可以知道，Q4导通，我们按导通之后Q4的CE压降为0.3V，则有Q4的C极为0.3V，Q1的BE压降我们可以查看手册来进行选取：

大家看上图，当Ic为2A的时候，此时VBE大概为1.4V，我们就按照1.4V来进行计算，则Q1的1脚为5V-1.4V = 3.6V。那么R5两端的压降为3.6V-0.3V = 3.3V，R5的电流我们按照10mA，则可以计算R5的阻值为：R5 = 3.3V/0.01A = 330R，这样就可以把R5的阻值确定了。

当然，如果要是Q1的IB电流再大一些的话，可以把R5阻值再取小些，比如可以取300R。好IB电流的问题解决了，那么我们再来看，如果Q4关闭的话，那么此时是不是要确保Q1能够关闭啊？Q1关闭是不是要确保Q1的1脚为高电平，也就是要确保Q1的VEB<Q1的导通电压，但是我们上图中的电路是没法保证这点的，所以，我们可以在Q1的BE之间并联一个上拉电阻，这样即可解决这个问题。

这个电阻的取值保证当Q4导通时Q1的BE压降能让Q1导通即可，这里取为1K，可以满足要求。这样，Q1的驱动电路就设计完毕了。

接下来我们来设计下管Q7的驱动电路:

下管驱动，我们可以采用一种称为达林顿结构的接法，还是采用另一个三极管来驱动，具体的接法如下图所示:

那么，当Q5导通，此时Q5的IC电流作为Q7的IB驱动电流， 从而确保Q7能够正常导通，当Q5关闭，确保Q7不能够导通，就满足了导通的逻辑关系，因此这个驱动电路是可以满足我们正常使用的。

而Q5和Q7的下拉电阻是确保当B极出现不确定状态的时候，能够有确定的状态出现，这样不会导致三极管的误触发，发生灾难性后果。

这样Q1和Q7的驱动电路就设计完成了，相应的Q2和Q8可以直接使用对应的驱动电路，最终H桥模块的电路就可以全部实现了，具体如下图所示：

那么到目前为止，直流有刷电机驱动项目的原理图设计部分就给大家分享到这里，下篇文章，我们来聊一聊关于该项目的PCB布局布线的相关问题，本次分享就到这里，谢谢大家，我们下次再见！