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【开源设计】H桥PWM直流电动机驱动器（原理图、代码）

2020-9-15 14:55:42 14393 PWM 直流电动机驱动器

0 H桥（全桥）驱动器在驱动有刷直流电机等负载方面非常流行，并且已广泛用于机器人技术和工业中。使用H桥驱动器的主要优点是：高效率，旋转方向变化和制动电动机。在本文/视频中，我介绍了使用四个IR3205功率MOSFET和两个IR2104 MOSFET驱动器的完整的H桥DC电动机驱动器。从理论上讲，上述MOSFET可以处理高达80A的电流，但是，实际上，如果使用大型散热片或风扇将MOSFET的温度保持在尽可能低的水平，我们可以期望获得高达40A的电流。电路分析图1显示了H桥直流电动机驱动器的示意图。显而易见，电路的核心是两个IR2104 MOSFET驱动器芯片。图1 H桥直流电机驱动器示意图我选择了4个IR3205 [1]进行切换。该MOSFET具有良好的特性，这是该应用必不可少的，RDSon电阻非常低，并且具有高电流处理能力。根据IRF3205数据表：“高级HEXFET？International Rectifier的功率MOSFET利用先进的处理技术来实现每硅面积的极低导通电阻。这项优势与HEXFET功率MOSFET众所周知的快速开关速度和坚固耐用的器件设计相结合，为设计人员提供了一种非常有效和可靠的器件，可广泛用于各种应用中。TO-220封装普遍适用于所有功耗约为50瓦的商业工业应用。我选择了两个IR2104 [2]驱动MOSFET。根据IR2104的数据表：“ IR2104（S）是高压，高速功率MOSFET和IGBT驱动器，具有相关的高端和低端参考输出通道。专有的HVIC和锁存免疫CMOS技术可实现坚固的单片结构。逻辑输入与低至3.3V逻辑的标准CMOS或LSTTL输出兼容。输出驱动器具有高脉冲电流缓冲级，旨在最小化驱动器交叉导通。浮动通道可用于驱动工作在10至600伏特高压侧的N通道功率MOSFET或IGBT。” 关于IR2104的好消息是该芯片既兼容3.3V逻辑电平又兼容5V逻辑电平。图2显示了该芯片的基本接线图。显然，芯片和负载（电动机）的电源不必相同，但是，两个电源共用一个公共地。图2 IR2104 MOSFET驱动器芯片的接线图 C1，C3，C4，C5，C6，C7和C9已用于降低噪声。R1和D2，R2和D3，R3和D8，R4和D9已被用于抑制在MOSFET的ON / OFF时电感器和电容器可能引入的振铃和寄生效应。别忘了MOSFET在其栅极引脚上引入了电容。1N4148二极管使栅极电容器放电。 D4，D5，D6和D7 [3]用于抑制直流电动机的反向电流尖峰。内部反向Shotkey二极管已嵌入MOSFET中，但是，使用这些外部Shotkey二极管也可以减小内部二极管上的应力。根据数据表和应用要求选择C2，C8，D1和D10。 P1是5针XH连接器，用于将芯片的电源和控制信号施加到板上。K1是KF45电源连接器，用于将电动机和电动机的电源线连接到板上。 [B] PCB布局图3显示了H桥直流电动机驱动器的PCB布局。它是2层PCB板，所有组件封装均为通孔。图3 H桥直流电机驱动器的PCB布局图4从顶部和底部显示了PCB板的3D视图。图4电路板顶部和底部的3D视图我没有IR2104 [4]和IRF3205 [5]（组件库）的原理图符号和PCB示意图。因此，我使用了SamacSys组件库，并使用SamacSys Altium Designer插件安装了缺少的库（图5）。SamacSys为几乎所有著名的电子设计软件提供了插件（图6）。有趣的是，所有服务都是免费的，图书馆遵循IPC标准。只是您需要下载并使用自己喜欢的CAD插件[6]。另一个选择是从componentsearchengine.com下载库并导入它们。图5 SamacSys Altium插件中的选定组件图6 SamacSys插件支持的电子设计CAD软件阻焊剂并未完全覆盖高电流的走线。这使您可以通过焊接或使用一些粗铜线来加强轨道。图7显示了这些部分暴露的轨道。图7部分暴露的高电流PCB走线 [C]组装与测试图8显示了组装好的单元，图9显示了测试环境。我已将Arduino Uno编程为控制电机驱动器板。另外，我在原型板上构建了一个简单的键盘，以便能够更改速度（使用PWM）和电动机的旋转方向。图8组装好的H桥直流电动机驱动器图9直流电动机驱动器板，Arduino Uno和测试台！所有按钮均为低电平有效，并使用Arduino的内部上拉电阻。您可以考虑以下Arduino代码： #include int PWM_Value; byte Enable_Pin = 13; byte PWM1_Pin = 11; byte PWM2_Pin = 10; byte PWM_Pin = 11; Button UP(9, 25, true, true); Button Down(8, 25, true, true); Button Left(7, 25, true, true); Button Right(6, 25, true, true); void setup() { pinMode(Enable_Pin, OUTPUT); pinMode(PWM1_Pin, OUTPUT); pinMode(PWM2_Pin, OUTPUT); UP.begin(); Down.begin(); Left.begin(); Right.begin(); digitalWrite(Enable_Pin, LOW); PWM_Value = 0; analogWrite(PWM1_Pin, PWM_Value); analogWrite(PWM2_Pin, PWM_Value); } void loop() { digitalWrite(Enable_Pin, HIGH); UP.read(); Down.read(); Left.read(); Right.read(); if (UP.wasReleased() && PWM_Value < 250) { PWM_Value +=5; } if (Down.wasReleased() && PWM_Value > 5) { PWM_Value -=5; } if (Left.wasReleased()) { PWM_Pin = PWM1_Pin; analogWrite(PWM2_Pin, 0); } if (Right.wasReleased()) { PWM_Pin = PWM2_Pin; analogWrite(PWM1_Pin, 0); } analogWrite(PWM_Pin, PWM_Value); } 复制代码原理图代码 #include int PWM_Value; byte Enable_Pin = 13; byte PWM1_Pin = 11; byte PWM2_Pin = 10; byte PWM_Pin = 11; Button UP(9, 25, true, true); Button Down(8, 25, true, true); Button Left(7, 25, true, true); Button Right(6, 25, true, true); void setup() { pinMode(Enable_Pin, OUTPUT); pinMode(PWM1_Pin, OUTPUT); pinMode(PWM2_Pin, OUTPUT); UP.begin(); Down.begin(); Left.begin(); Right.begin(); digitalWrite(Enable_Pin, LOW); PWM_Value = 0; analogWrite(PWM1_Pin, PWM_Value); analogWrite(PWM2_Pin, PWM_Value); } void loop() { digitalWrite(Enable_Pin, HIGH); UP.read(); Down.read(); Left.read(); Right.read(); if (UP.wasReleased() && PWM_Value < 250) { PWM_Value +=5; } if (Down.wasReleased() && PWM_Value > 5) { PWM_Value -=5; } if (Left.wasReleased()) { PWM_Pin = PWM1_Pin; analogWrite(PWM2_Pin, 0); } if (Right.wasReleased()) { PWM_Pin = PWM2_Pin; analogWrite(PWM1_Pin, 0); } analogWrite(PWM_Pin, PWM_Value); } 复制代码 25
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