Как работает H-мост для двигателей постоянного тока

В этой статье мы подробно рассмотрим, как работает H-мост, который применяется для управления двигателями постоянного тока с низким напряжением питания. В качестве примера мы будем использовать популярную среди любителей робототехники интегральную микросхему L298. Но сначала от простого к сложному.

H-мост на механических переключателях

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-1

Направление вращения вала у двигателя постоянного тока зависит от полярности питания. Чтобы изменить эту полярность, без переподключения источника питания, мы можем использовать 4 переключателя, как показано на следующем рисунке.

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-2

Этот тип соединения известен как «H Bridge» (H мост) — по форме схемы, которая похожа на букву «H». Эта схема подключения двигателя имеет очень интересные свойства, которые мы опишем в этой статье.

Если мы замкнем верхний левый и нижний правый переключатели, то двигатель будет подключен справа на минус, а слева на плюс. В результате этого он будет вращаться в одном направлении (путь прохождения тока указан красными линиями и стрелками).

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-3

Если же мы замкнем верхний правый и нижний левый переключатели, то двигатель будет подключен справа на плюс, а слева на минус. В таком случае двигатель будет вращаться в противоположном направлении.

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-5

Эта схема управления имеет один существенный недостаток: если оба переключателя слева или оба переключателя справа замкнуть одновременно, то произойдет короткое замыкание источника питания, поэтому необходимо избегать такой ситуации.

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-6

Интересным состоянием следующей схемы является то, что используя только два верхних или нижних переключателя, мы отключаем двигатель от питания, в результате чего двигатель останавливается.

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-7

Конечно, H-мост, выполненный исключительно только на переключателях, не очень универсален. Мы привели этот пример только для того, чтобы простым и наглядным образом объяснить принцип работы H-моста.

Но если мы заменим механические переключатели электронными ключами, то конструкция будет более интересна, поскольку в этом случае электронные ключи могут быть активированы логическими схемами, например, микроконтроллером.

H-мост на транзисторах

Для создания электронного H-моста на транзисторах можно использовать транзисторы как NPN, так и PNP типа. Могут быть использованы также и полевые транзисторы. Мы рассмотрим версию с NPN-транзисторами, потому что это решение использовано в микросхеме L298, которую мы увидим позже.

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-8

Транзистор — это электронный компонент, описание работы которого может быть сложным, но применительно к нашему H-мосту его работу легко проанализировать, поскольку он работает только в двух состояниях (отсечка и насыщение).

Транзистор мы можем представить просто как электронный переключатель, который закрыт, когда на базе (b) 0 В и открыт, когда на базе положительное напряжение.

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-9

Хорошо, мы заменили механические переключатели транзисторными ключами. Теперь нам необходим блок управления, который будет управлять нашими четырьмя транзисторами. Для этого мы будем использовать логические элементы типа «И».

Логика управления H-мостом

Логический элемент «И» состоит из интегрированных электронных компонентов и, не зная, что у него внутри, мы можем рассматривать его как своего рода «черный ящик», который имеет два входа и один выход. Таблица истинности показывает нам 4 возможные комбинации сигналов на входах и соответствующий им сигнал на выходе.

Мы видим, что только тогда, когда на обоих входах положительный сигнал (логическая единица), на выходе появляется логическая единица. Во всех остальных случаях на выходе будет логический ноль (0В).

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-10

В дополнение к данному логическому «И» элементу для нашего H-моста понадобиться другой тип логического элемента «И», у которого мы можем видеть небольшой круг на одном из его входов. Это все тот же логический элемент «И», но с одним инвертирующим (перевернутым) входом. В этом случае таблица истинности будет немного иная.

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-11

Если мы объединим эти два типа «И» элемента, с двумя электронными переключателями, как показано на следующем рисунке, то состояние выхода «Х» может быть в трех вариантах: разомкнутое, положительное или отрицательное. Это будет зависеть от логического состояния двух входов. Этот тип выхода известен как «выход с тремя состояниями» (Three-State Output) который широко используется в цифровой электронике.

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-12

Теперь посмотрим, как будет работать наш пример. Когда вход «ENA» (разрешение) равен 0В, независимо от состояния входа «А», выход «Х» будет разомкнут, поскольку выходы обоих «И» элементов будут равны 0В, и, следовательно, два переключателя также будут разомкнуты.

Когда мы подаем напряжение на вход ENA, один из двух переключателей будет замкнут в зависимости от сигнала на входе «A»: высокий уровень на входе «A» подключит выход «X» к плюсу, низкий уровень на входе «A» подключит выход «X» к минусу питания.

Таки образом, мы построили одну из двух ветвей «H» моста. Теперь перейдем к рассмотрению работы полного моста.

Эксплуатация полного H-моста

Добавив идентичную схему для второй ветви H-моста, мы получим полный мост, к которому уже можно подключить двигатель.

Обратите внимание, что вход разрешения (ENA) подключен к обеим ветвям моста, в то время как другие два входа (In1 и In2) независимы. Для наглядности схемы мы не указали защитные сопротивления на базах транзисторов.

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-13

Когда на ENA 0В, то на всех выходах логических элементов также 0В, и поэтому транзисторы закрыты, и двигатель не вращается. Если на вход ENA подать положительный сигнал, а на входах IN1 и IN2 будет 0В, то элементы «B» и «D» будут активированы. В этом состоянии оба входа двигателя будут заземлены, и двигатель также не будет вращаться.

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-14

Если мы подадим на IN1 положительный сигнал, при этом на IN2 будет 0В, то логический элемент «А» активируется вместе с элементом «D», а «B» и «C» будут отключены. В результате этого двигатель получит плюс питания от транзистора, подключенного к элементу «А» и минус от транзистора, подключенного к элементу «D». Двигатель начнет вращается в одном направлении.

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-15

Если же мы сигналы на входах IN1 и IN2 инвертируем (перевернем), то в этом случае логические элементы «C» и «B» активируются, а «A» и «D» будут отключены. Результат этого — двигатель получит плюс питания от транзистора, подключенного к «C» и минус от транзистора, подключенного к «B». Двигатель начнет вращаться в противоположном направлении.

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-16

Если на входах IN1 и IN2 будет положительный сигнал, то активными элементами с соответствующими транзисторами будут «A» и «C», при этом оба вывода мотора будут подключены к плюсу питания.

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-17

H-мост на драйвере L298

Теперь давайте посмотрим на работу микросхемы L298. На рисунке приведена структурная схема драйвера L298, который имеет два одинаковых H-моста и позволяет управлять двумя двигателями постоянного тока (DC).

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-18

Как мы можем видеть, отрицательная часть мостов напрямую не связана с землей, но доступна на выводе 1 для моста слева и на выводе 15 для моста справа. Добавив очень малое сопротивление (шунт) между этими контактами и землей (RSA и RSB), мы можем измерить ток потребления каждого моста с помощью электронной схемы, которая может измеряет падение напряжения в точках «SENS A» и «SENS B».

Это может быть полезно для регулирования тока двигателя (с использованием ШИМ) или просто для активации системы защиты, в случае если двигатель застопориться (в этом случае его ток потребления значительно возрастает).

Защитный диод для индуктивной нагрузки

Каждый двигатель содержит проволочную обмотку (катушку) и, следовательно, в процессе управления двигателем на его выводах возникает всплеск ЭДС самоиндукции, которая может повредить транзисторы моста.

kak-rabotaet-h-most-dlya-dvigatelej-postoyannogo-toka-19

Чтобы решить эту проблему, вы можете использовать быстрые диоды типа Shottky или, если наши двигатели не являются особо мощными, просто обычные выпрямительные диоды, например 1N4007. Нужно иметь в виду, что выходы моста в процессе управления двигателем меняют свою полярность, поэтому необходимо использовать четыре диода вместо одного.

https://www.inventable.eu


Добавить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован.

*