H桥原理、驱动及应用

转自 | 小麦大叔

H桥是什么？

H桥是一个相对简单的电路，通常包括四个独立控制的开关元件(例如MOS-FET）,它们通常用于驱动电流较大的负载，如电机。至于为什么叫H桥（H-Bridge），因为它看起来更像字母H，如下图所示；

这里有四个开关元件Q1，Q2，Q3，Q4，此外，还有一个直流电机M，D1，D2，D3，D4是MOS-FET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

H桥通常用于驱动感性负载，这里我们驱动直流电机；

• 打开Q1和Q4；

• 关闭Q2和Q3；

此时假设电机正转，电流依次通过Q1，M，Q4，图中标注黄色线段，如下图所示；

反转

另一种状态是电机反转；此时，四个开关元件的状态如下；

• 关闭Q1和Q4；

• 打开Q2和Q3；

此时，电机反转（与上述情况相反），电流依次通过Q2，M，Q3，图中标注黄色线段，如下图所示；

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波形达到降低速度的效果。如果需要增加速度，则输入PWM占空比设定为100%；

如下所示；

停止状态

以电机从正转切换到停止状态为例；

• 正转；Q1和Q4是开放状态；

• 如果此时关闭Q1和Q4，可在直流电机内部使用等效成电感，即感性负载，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；

这里有两种方法：

第一：关闭Q1和Q4，此时，电流仍将通过反向续流二极管流动Q1和Q3从而达到快速衰减电流的目的；

第二：准备停止时，关闭Q1，打开Q2，此时，电流不会迅速衰减，电流会循环Q2，M，Q四之间流动，通过MOS-FET内阻消耗电能；

应用

实际使用时，用分立元件制作H桥非常麻烦。市场上有很多常用的IC比如常用的方案L293D、L298N、TA7257P、SN75410等。连接电源和电机，输入控制信号驱动电机；

下面是某宝L298N模块，比较常见，对新手玩家很友好，接线也很简单；

该模块有一个板载5V稳压器，可以通过跳线使用。

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

但如果电机电压大于12，V，跳线必须断开，因为这些电压会损坏板载5V稳压器。

在这种情况下，5V引脚将被用作输入，因为我们需要连接到5V电源，以使IC正常工作。

我们可以在这里注意到，应该IC电压降约为2V。因此，如果使用12V电源，电机端子上的电压约为10V，这意味着我们将无法从12开始V在直流电机中获得最大速度。

这里使用Arduino例如，这是一个在网上找到的例子Demo如下图所示；

#defineenA9 #definein16 #definein27 #definebutton4  introtDirection=0; intpressed=false;  voidsetup(){ pinMode(enA,OUTPUT); pinMode(in1,OUTPUT); pinMode(in2,OUTPUT); pinMode(button,INPUT); //Setinitialrotationdirection digitalWrite(in1,LOW); digitalWrite(in2,HIGH); }  voidloop(){ //Readpotentiometervalue intpotValue=analogRead(A0); //Mapthepotentiometervaluefrom0to255 intpwmOutput=map(potValue,0,1023,0,255); //SendPWMsignaltoL298NEnablepin analogWrite(enA,pwmOutput);  //Readbutton-Debounce if(digitalRead(button)==true){ pressed=!pressed; } while(digitalRead(button)==true); delay(20);  //Ifbuttonispressed-changerotationdirection if(pressed==true&rotDirection==0){ digitalWrite(in1,HIGH); digitalWrite(in2,LOW); rotDirection=1; delay(20); } //Ifbuttonispressed-changerotationdirection 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；
 
    
   
       
   
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，感兴趣可以去某宝逛逛，enjoy。
 
   
      
 
    
       
由于作者能力和水平有限，文中难免存在错误和纰漏，请不吝赐教。
 
   
      
 
   
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