H桥原理、驱动及应用

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2022-10-16 07:25 238阅读 0赞

转自 | 小麦大叔

## 什么是H桥？ ##

H桥是一个比较简单的电路，通常它会包含四个独立控制的开关元器件（例如**MOS-FET**）,它们通常用于驱动电流较大的负载，比如电机，至于为什么要叫H桥（H-Bridge），因为长得比较像**字母H**，具体如下图所示；

![9ae439f4ee7268ee25fe58513eec8565.png][]

这里有四个开关元器件`Q1`，`Q2`，`Q3`，`Q4`，另外还有一个直流电机M，`D1`，`D2`，`D3`，`D4`是MOS-FET的续流二极管；

## 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 ###

通常H桥用来驱动感性负载，这里我们来驱动一个直流电机；

*  打开`Q1`和`Q4`；
 *  关闭`Q2`和`Q3`；

此时假设电机正转，这电流依次经过`Q1`，`M`，`Q4`，在图中使用黄色线段进行标注，具体如下图所示；

![c4551f8027a71c891621ac1118c9c6ea.png][] 正转

### 反转 ###

另外一种状态则是电机反转；此时四个开关元器件的状态如下；

*  关闭`Q1`和`Q4`；
 *  打开`Q2`和`Q3`；

此时电机反转（与前面介绍的情况相反），这电流依次经过`Q2`，`M`，`Q3`，在图中使用黄色线段进行标注，具体如下图所示；

![c4cdecebd5e757ce438d15c86eabd5e7.png][] 反转

### 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，这样就达到了降低转速的效果，如果需要增加转速，则将输入PWM的占空比设置为100%；

具体如下所示；![6c72fa6da0e1ab8a4a35db1992a27e56.png][]

### 停止状态 ###

这里以电机从正转切换到停止状态为例；

*  正转情况下；`Q1`和`Q4`是打开状态；
 *  这时候如果关闭`Q1`和`Q4`，直流电机内部可以**等效成电感，也就是感性负载，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；

这里有两种办法：

第一种：关闭`Q1`和`Q4`，这时候电流仍然会通过反向续流二极管进行流动，此时短暂打开`Q1`和`Q3`从而达到快速衰减电流的目的；

![71d5d30ef7623d4ba915907b38fa6d25.png][]

第二种：准备停止的时候，关闭`Q1`，打开`Q2`，这时候电流并不会衰减地很快，电流循环在Q2，M，Q4之间流动，通过MOS-FET的内阻将电能消耗掉；

![4050786abec357ef328bcfefc81f11ce.png][]

## 应用 ##

实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，市面上已经有很多比较常用的IC方案，比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。接上电源、电机，通过输入控制信号就可以驱动电机了；

下面是某宝上的L298N模块，比较常见，对于新手玩家非常友好，接线也十分简单；

![9b1f5cfb222b59f22d096d473d1dc4e7.png][] L298N模块

这个模块有一个板载5V稳压器，该稳压器可使用跳线的方式进行使能。

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

但是，如果电动机电压大于12V，则必须断开跳线，因为这些电压会损坏板载5V稳压器。

在这种情况下，5V引脚将用作输入，因为我们需要将其连接到5V电源，以使IC正常工作。

我们在这里可以注意到，该IC的电压降约为2V。因此，如果使用12V电源，则电动机端子上的电压约为10V，这意味着我们将无法从12V直流电动机中获得最大速度。

这里使用`Arduino`为例，这是网上找的一个Demo整体的框架如下图所示；

![3456b7f8fa44ff8e2bde75e857a56308.png][] 架构

#define enA 9
    #define in1 6
    #define in2 7
    #define button 4
    
    int rotDirection = 0;
    int pressed = false;
    
    void setup() {
      pinMode(enA, OUTPUT);
      pinMode(in1, OUTPUT);
      pinMode(in2, OUTPUT);
      pinMode(button, INPUT);
      // Set initial rotation direction
      digitalWrite(in1, LOW);
      digitalWrite(in2, HIGH);
    }
    
    void loop() {
    // Read potentiometer value
      int potValue = analogRead(A0); 
      // Map the potentiometer value from 0 to 255
      int pwmOutput = map(potValue, 0, 1023, 0 , 255); 
      // Send PWM signal to L298N Enable pin
      analogWrite(enA, pwmOutput); 
    
      // Read button - Debounce
      if (digitalRead(button) == true) {
        pressed = !pressed;
      }
      while (digitalRead(button) == true);
      delay(20);
    
      // If button is pressed - change rotation direction
      if (pressed == true  & rotDirection == 0) {
        digitalWrite(in1, HIGH);
        digitalWrite(in2, LOW);
        rotDirection = 1;
        delay(20);
      }
      // If button is pressed - change rotation direction
      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；

![0bbe9237a4ac4bf7a0e68a9a376d05b2.png][] 某宝的小车

## 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。

**免责声明：**本文素材来源网络，版权归原作者所有。如涉及作品版权问题，请与我联系删除。

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