H桥电机驱动原理与应用

原著：吉姆布朗 1998年4月
整理上传：鲍勃乔丹 2002年9月
翻译：韦文潮 2007年12月

我们首先来看马达是如何转动的呢？举个例子：你手里拿着一节电池，用导线将马达和电池两端对接，马达就转动了；然后如果你把电池极性反过来会怎么样呢？没有错，马达也反着转了。

OK，这个是最基本的了。现在假设你想用一块指甲盖大小的微控制芯片(MCU)。你又如何控制马达的呢？首先，你手上有一个固态的状态开关——一个晶体管——来控制马达的开关。

提示：如果你用继电器连接这些电路的时候，要在继电器线圈两端并一个二极管。这是为了保护电路不被电感的反向电动势损坏。二极管的正极（箭头）要接地，负极要接在MCU连接继电器线圈的输出端上。

电路连接好后，你可以用一个逻辑输出的信号来控制马达了。高电平（逻辑1）让继电器导通，马达转动；低电平（逻辑0）让继电器断开，马达停止。

在电路相同的情况下，把马达的“极性”反过来接，我们可以控制马达的翻转和停止。

问题来了：如果我们要同时需要马达能够正转好反转，怎么办？难道每次都要把马达的连线反过来接？

我们先来看另一个概念：马达速度。当我们在其中一种状态下，频繁的切换开关状态的时候，马达的转速就不再是匀速，而是变化的了，相应的扭矩也会改变。通常反应出来的是马达速度的变化。

我们想要同时控制正反向的话，就需要更多的电路——没错，就是H桥电路。H桥电路的“H”的意思是它实际电路在电路图上是一个字幕H的样式。下图就是一个用继电器连接成的H桥电路。

处于“高”位置的继电器是控制电源流入的方向，称之为“源”电路；处于“低”位置的继电器是控制电源流入地的方向，称之为“漏”电路。

现在，你将左上电路（A）和右下电路（D）接通，马达就正转了（如下图）。此时各个端口的逻辑值为A-1、B-0、C-0、D-1.

将逻辑值反过来，电路的方向就调转了，马达反转（如下图）。此时逻辑值为A-0、B-1、C-1、D-0。

注意：千万不能将同一侧的两个电路同时接通，否则会在电源和地之间形成短路。比如A和C或者B和D同时为1.

半导体H桥：现在我们来讨论使用场效应管连接的H桥。

这是我们实际使用的H桥电路的真正形式。我们现在不需要在继电器两端接二极管了，不过还是要在控制管两端接。下图是电路图。

在图上我们看到晶体管代替了继电器。在高位的晶体管必须是PNP型三极管或者P沟道场效应管；低位的晶体管必须是NPN型三极管或者N沟道型场效应管。

如果你将两个高位电路或者两个低位电路同时接通，你的马达会自动制动。这是因为当没有电源供给时，马达在自由转动的情况下是处于发电状态，同位的电路接通，相当于将马达的两端“短接”，那么马达会因为短路而相当与接了一个无限大功率的电炉即一个很大的负载，所以马达就会产生“电”制动；当你把马达两端悬空后，它就恢复自由了。

为了以避免马达的反电动势的危害，我们仍然需要在晶体管两端接二极管，因为马达线圈在电路开闭瞬间产生的反向电动势通过会高过电源，这样对晶体管和电路会有很大的影响甚至烧毁零件。

半导体晶体管本身有导通电阻，在通过大电流时会明显发热，如果没有散热措施会很容易烧毁。这样就会限制电路功率的增加。

Mosfets（金属氧化物半导体场效应晶体管），这里简称MOS管，由于结构和原理的不同，导通电阻远比普通三极管低，允许流过更大的电流。而且MOS管都内置有反向二极管来保护管子本身。所以采用MOS管连接H桥不但效率可以提高，电路也可以简化。

使用MOS管搭建H桥，高位电路要用P沟道管；低位要用N沟道管。因为N沟道管比P沟道管便宜的多，所以有人用N沟道管在高位，加上削波电路来抑制反电动势。

应用H桥的关键是四个电路开闭状态的准确。一旦在电源和地之间出现通路，毫无疑问会立刻产生短路，让你的晶体管变成一枚小炸弹。下面我们介绍一些H桥的集成电路，这样我们可以更容易更安全的使用H桥。

常用H桥集成电路

L293内置两个H桥，每个桥提供1A的额定工作电流，和最大2A的峰值电流。它能驱动的马达一般是不超过35毫米照片胶卷筒大小。

L298内置两个H桥，每个桥提供1A的额定工作电流，和最大3A的峰值电流。它能驱动的马达不超过可乐罐大小。

LMD18200内置1个H桥，工作电流2~3A，峰值电流6A。它驱动可乐罐大小的马达。

当然还有很多H桥集成电路，这里就不一一介绍了。

好了！关于马达和H桥我们就说到这里了，祝你玩得愉快！

请访问DPRG H-Bridge Project，获取更多H桥DIY的详细资源。

L298集成电路应用实验

原著：吉姆布朗 1998年4月
整理上传：NCC 2002年8月
翻译：韦文潮 2007年12月

概要

本电路实验主要使用一片L298加上1000微法电容和12个二极管。目的是制作一个便携式的两路马达驱动电路，提供微处理器控制接口。该L298应用电路的设计者是克莱迪蒙。

电路板只需要单面覆铜板即可，在元件面可以印刷加上接口说明和元件引线说明。

电路板

电路图

PCB印刷图

说明：L298的1、2端控制马达A的开关、正反，enable A 控制脉宽；3、4端和enable B控制马达B。

该电路图版权遵照第二版或者以上的通用公共授权（GNU GPL），任何人可以将此电路应用与任何场合、任何用途，并不受限制的修改或者改进，这些修改或改进同样对所有人公开。

一、概述

影响单片机系统运行稳定性的因素可大体分为外因和内因两部分:  
1、外因
    射频干扰，它是以空间电磁场的形式传递 在机器内部的导体（引线或零件引脚）感生出相应的干扰，可通过电磁屏蔽和合理的布线/器件布局衰减该类干扰；  
    电源线或电源内部产生的干扰，它是通过电源线或电源内的部件耦合或直接传导，可通过电源滤波、隔离等措施来衰减该类干扰    。
2、内因
    振荡源的稳定性，主要由起振时间 频率稳定度和占空比稳定度决定 起振时间可由电路参数整定 稳定度受振荡器类型 温度和电压等参数影响复位电路的可靠性。  

二、复位电路的可靠性设计

1、基本复位电路
        复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。图1所示的RC复位电路可以实现上述基本功能，图3为其输入-输出特性。但解决不了电源毛刺（A 点）和电源缓慢下降（电池电压不足）等问题 而且调整 RC 常数改变延时会令驱动能力变差。左边的电路为高电平复位有效    右边为低电平 Sm为手动复位开关    Ch可避免高频谐波对电路的干扰  单片机编程器 HPOO

  
图1     RC复位电路

      图2所示的复位电路增加了二极管，在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。 图3所示复位电路输入输出特性图的下半部分是其特性，可与上半部比较增加放电回路的效果  杭州电子元件邮购网地址:www.hpoo.net

  
图2     增加放电回路的RC复位电路

使用比较电路，不但可以解决电源毛刺造成系统不稳定，而且电源缓慢下降也能可靠复位。图4 是一个实例 当 VCC x (R1/(R1+R2) ) = 0.7V时，Q1截止使系统复位。Q1的放大作用也能改善电路的负载特性，但跳变门槛电压 Vt 受 VCC 影响是该电路的突出缺点，使用稳压二极管可使 Vt 基本不受VCC影响。见图5，当VCC低于Vt(Vz+0.7V)时电路令系统复位。  

图3     RC复位电路输入-输出特性

图4    带电压监控功能的复位电路

图5     稳定门槛电压

图6    实用的复位监控电路

在此基础上,增加延时电容和放电二极管构成性能优良的复位电路,如图6所示。调节C1可调整延时时间,调节R1可调整负载特性,如图7所示上半部分是图5电路的特性,下半部分对应图6。

图7     带电压监控功能的复位电路的输入-输出特性

2、电源监控电路
上述的带电压监控的复位电路又叫电源监控电路 监控电路必须具备如下功能：  
    上电复位，保障上电时能正确地启动系统；
    掉电复位，当电源失效或电压降到某一电压值以下时，复位系统；  电子元件邮购网
    市面上有类似的集成产品，如PHILIPS半导体公司生产的MAX809、MAX810。此类产品体积小、功耗低，而且可选门槛电压。可保障系统在不同的异常条件下可靠地复位，防止系统失控。图8中的Rm和Sm实现手动复位 无需该功能时可把Reset端（或/Reset）端 直接与单片机的RST端（或/RST端）相连 最大限度地简化外围电路 也可选择PHILIPS半导体公司带手动复位功能的产品MAX708。  

图8    集成复位监控电路

     此外，MAX708还可以监视第二个电源信号，为处理器提供电压跌落的预警功能，利用此功能，系统可在电源跌落时到复位前执行某些安全操作，保存参数，发送警报信号或切换后备电池等。图9电表的应用实例 利用MAX708 电表可在电源毛刺或停电前把当前电度数保存到E2PROM中 再配合保存多个电度数备份算法，可有效解决令工程师头疼E2PROM中的电度数掉失问题使用该电路必须选择适当的预警电压点，以保证靠电源的储能供电情况下，VCC电压从预警电压跌到复位电压的维持时间（tB）必须足够长 E2PROM的写周期约为10－20ms 一般取tB>200ms就可确保数据稳定写入。预警电压调整方法 当VDC等于预警电压时调整R1和R2使PFI的电压为1.25V 此时可检测/PFO来确认内部的电压比较器是否动作，调整时必须注意此比较器是窗口比较器。 图10是该应用的程序流程图  

图9     MAX708的典型应用 电子元件邮购网

图10. 电表应用中E2PROM数据保护程序流程图

3.    多功能电源监控电路
    除上电复位和掉电复位外，很多监控电路集成了系统所需的功能，如：   
    电源测控，供电电压出现异常时提供预警指示或中断请求信号，方便系统实现异常处理；  
    数据保护，当电源或系统工作异常时，对数据进行必要的保护，如写保护、数据备份或切换后备电池；  
    看门狗定时器，当系统程序“跑飞”或“死锁”时，复位系统；  
    其它的功能，如温度测控、短路测试等等。  

      我们把其称作多功能电源监控电路。下面介绍两款特别适合在工控、安防、金融行业中广泛应用多功能的监控电路    :
      Catalyst 公司的 CAT1161 是一个集成了开门狗、电压监控和复位电路的 16K 位 E2PROM（I2C 接口）不但集成度高、功耗低（E2PROM部分静态时真正实现零功耗）而且清看门狗是通过改变SDA的电平实现的，节省系统I/O 资源，其门槛电压可通过编程器修改，该修改范围覆盖绝大多数应用。当电源下降到门槛电压以下时 硬件禁止访问 E2PROM 确保数据安全。  
     使用时注意的是 RST，/RST 引脚是 I/O 脚，CAT1161 检测到两引脚中任何一个电压异常都会产生复位信号，与 RST /RST 引脚相连的下拉电阻 R2 和上拉电阻 R1 必须同时连接，否则CAT1161将不断产生复位！同样不需要手动复位功能时可节省Rm和Sm两个元件。

图11.    内置WDT RESET /RESET E PROM监控器件接口电路

         PHILIPS 公司的 SA56600-42 被设计用在电源电压降低或断电时作保护微电脑系统中SRAM 的数据。当电源电压下降到通常值 4.2V 时，输出 CS 变为逻辑低电平，把 CE 也拉低，从而禁止对 SRAM 的操作。同时，产生一个低电平有效的复位信号，供系统使用，如果电源电压继续下降，到达通常值 3.3V或更低时，SA56600-42切换系统操作，从主电源供电切换到后备锂电池供电，当主电源恢复正常（电压上升至3.3V或更高时）将SRAM的供电电源将由后备锂电池切换回主电源，当主电源上升至大于典型值4.2V 时 输出 CS 变为逻辑高电平，使 CE 变为高电平，使能 SRAM 的操作，复位信号一直持续到系统恢复正常操作为止。在系统电源电压不足或突然断电的时候，这个器件能可靠地保护系统在SRAM内的数据。  

图12.    内置SRAM数据保护电路的监控器件SA56600-42的典型应用

4. ARM 单片机的复位电路设计
      无论在移动电话 高端手持仪器还是嵌入式系统，32 位单片机 ARM 占据越来越多的份额，ARM 已成为事实的高端产品工业标准。由于 ARM 高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低 这是对数字电路极限的挑战，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定度、电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。ARM监控技术是复杂并且非常重要的。
      分立元件实现的监控电路，受温度、湿度、压力等外界的影响大而且对不同元件影响不一致 较大板面积，过多过长的引脚容易引入射频干扰，功耗大也是很多应用难以接受，而集成电路能很好的解决此类问题。目前也有不少微处理器中集成监控电路，处于制造成本和工艺技术原因，此类监控电路大多数是用低电压CMOS工艺实现的，比起用高电压、高线性度的双极工艺制造的专用监控电路 性能还有一段差距。
结论是：使用 ARM而不用专用监控电路，可能导致得不偿失，经验也告诉我们使用专用监控电路可以避免很多离奇古怪的问题。ARM的应用工程师，切记少走弯路！  

图13.    用PHILIPS MAX708实现的ARM复位电路

        图13 是实用可靠的 ARM 复位电路。ARM 内核的工作电压较低。R1 可保证电压低于 MAX708 的工作电源还能可靠复位。其中 TRST 信号是给 JTAG 接口用的。使用 HC125 可实现多种复位源对 ARM 复位，如通过PC机串口或JTAG接口复位ARM.