CN108847797B - 一种直流电机的h桥驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电机的H桥驱动方法，主要解决的技术问题是现有技术中H桥采用双边开关模式的控制电路难，算法复杂，价格成本高的问题，本发明通过一种直流电机的H桥驱动方法，包括直流电机的正向驱动控制、正向再生制动控制、反向驱动控制、反向再生制动控制、直流电机短路控制、直流电机开路控制、正向推行限速控制和反向推行限速控制的技术方案，较好地解决了该问题，可用于直流电机的H桥驱动。

Description

一种直流电机的H桥驱动方法

技术领域

本发明涉及一种直流电机的H桥驱动方法。

背景技术

H桥驱动电路是一种常规的直流电机控制电路，应用非常广泛。四个驱动管组成H桥，而电机就是H中的横杠，H桥式电机驱动电路包括四个驱动管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对驱动管。根据不同驱动管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

通常采用的双边开关模式可以进行四象限控制的H桥(即全桥)驱动电机。双边开关模式四路开关管都需要PWM(脉冲调制信号)信号，控制电路难，软件算法复杂，价格成本也高。不足点：①功率电解电容的纹波比较大，从而功率电容的发热就比较大，寿命就会缩短。②电机电流的检测需要用到精密的电阻SHUNT，该电阻的成本很高。③PWM信号的占空比可调范围低，电机的调速范围窄。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术中的H桥采用双边开关模式的控制电路难，算法复杂，价格成本高的问题，提出了一种新的直流电机的H桥驱动方法，该方法具有控制电路简单、算法简单，价格成本低的特点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种直流电机的H桥驱动方法，包括直流电机的正向驱动控制、正向再生制动控制、反向驱动控制、反向再生制动控制、直流电机短路控制、直流电机开路控制、正向推行限速控制和反向推行限速控制，其中，上桥左臂驱动管和下桥左臂驱动管均受到PWM信号控制，同时上桥右臂驱动管为常闭状态，下桥右臂驱动管为常开状态，从而形成所述直流电机的正向驱动控制和正向再生制动控制；

所述上桥右臂驱动管和所述下桥右臂驱动管均受到PWM信号控制，同时所述上桥左臂驱动管为常闭状态，所述下桥左臂驱动管为常开状态，从而形成所述直流电机的反向驱动控制和反向再生制动控制；

所述上桥左臂驱动管和所述上桥右臂驱动管均为常闭状态，所述下桥左臂驱动管和所述下桥右臂驱动管均为常开状态，从而形成所述直流电机短路控制；

所述上桥左臂驱动管、所述上桥右臂驱动管、所述下桥左臂驱动管和所述下桥右臂驱动管均为常闭状态，从而形成所述直流电机开路控制；

所述上桥左臂驱动管和所述上桥右臂驱动管均为常闭状态，所述下桥左臂驱动管受PWM信号控制，所述下桥右臂驱动管为常开状态，从而形成所述直流电机的正向推行限速控制；

所述上桥左臂驱动管和所述上桥右臂驱动管均为常闭状态，所述下桥左臂驱动管为常开状态，所述下桥右臂驱动管受PWM信号控制，从而形成所述直流电机的反向推行限速控制。

进一步的，优选地，所述直流电机的一端连接至所述上桥左臂驱动管和所述下桥左臂驱动管之间，所述直流电机的另一端连接至所述上桥右臂驱动管和所述下桥右臂驱动管之间，所述上桥左臂驱动管和所述上桥右臂驱动管同时与电源连接，所述下桥左臂驱动管和所述下桥右臂驱动管同时接地。

更优选地，所述直流电机两端并联有相串联的电阻一和电阻二，所述电机一和电阻二之间连接有电阻三，所述电阻三同时接地。

更优选地，所述电阻三两端并联有电容。

优选地，所述上桥左臂驱动管、所述上桥右臂驱动管、所述下桥左臂驱动管和所述下桥右臂驱动管均为N沟道增强型MOS管。

优选地，在所述正向驱动控制、所述正向再生制动控制、所述正向推行限速控制和所述直流电机短路控制时，选取所述直流电机、所述上桥右臂驱动管和所述下桥右臂驱动管之间的连接点作为所述直流电机的电流取样点一。

优选地，在所述反向驱动控制、所述反向再生制动控制和所述反向推行限速控制时，选取所述直流电机、所述上桥左臂驱动管和所述下桥左臂驱动管之间的连接点作为所述直流电机的电流取样点二。

更优选地，在所述正向驱动控制、所述正向再生制动控制、所述反向驱动控制、所述反向再生制动控制、所述正向推行限速控制、所述反向推行限速控制和所述直流电机短路控制时，均选取所述电阻一、电阻二和电阻三的连接点作为所述直流电机的电压取样点。

本发明的有益效果在于：本发明通过一种单边开关的模式来控制直流电机，同时只需有两路PWM信号，控制简单，软件算法好设计，方便直流电机的控制，简化电路和软件，提高产品的可靠性；和双边开关模式相比，采用单边开关模式的好处是：①功率电解电容的纹波比较小从而电容的发热就比较小；②可以利用长通那个驱动管的导通电阻进行直流电机电流的检测，从而省掉了检流电阻；③在最大脉宽下(因为要给自举电容充电，所以脉宽不能到100％)可以使直流电机转得更快。

附图说明

图1是本发明一种直流电机的H桥驱动方法的正向驱动控制的结构示意图；

图2是本发明一种直流电机的H桥驱动方法的正向再生制动控制的结构示意图；

图3是本发明一种直流电机的H桥驱动方法的反向驱动控制的结构示意图；

图4是本发明一种直流电机的H桥驱动方法的反向再生制动控制的结构示意图；

图5本发明一种直流电机的H桥驱动方法的直流电机短路控制的结构示意图；

图6本发明一种直流电机的H桥驱动方法的直流电机开路控制的结构示意图；

图7本发明一种直流电机的H桥驱动方法的正向推行限速控制的结构示意图；

图8本发明一种直流电机的H桥驱动方法的反向推行限速控制的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本实施例公开了一种直流电机的H桥驱动方法，包括直流电机M的正向驱动控制、正向再生制动控制、反向驱动控制、反向再生制动控制、直流电机M短路控制、直流电机M开路控制、正向推行限速控制和反向推行限速控制；

其中，如图1所示，上桥左臂驱动管10和下桥左臂驱动管11均受到PWM信号控制，上桥左臂驱动管10受到PWM信号控制导通，下桥左臂驱动管11受到PWM信号控制关闭，同时上桥右臂驱动管20为常闭状态(上桥右臂驱动管20的栅极输入低电平“0”)，下桥右臂驱动管21为常开状态(下桥右臂驱动管21的栅极输入高电平“1”)，产生正向的驱动电流I_a(方向如图1所示)使直流电机M正转，从而形成所述直流电机M的正向驱动控制，当上桥左臂驱动管10逐渐关闭(上桥左臂驱动管10的占空比不断减小)，下桥左臂驱动管11导通时，此时流过直流电机M的电流为续流电流I_b(方向如图1所示)，续流电流I_b为在直流电机M上流过的持续减弱的电流，续流电流I_b的流动方向和驱动电流I_a的流动方向相同，直流电机M仍正转；

如图2所示，上桥左臂驱动管10受到PWM信号控制关闭，下桥左臂驱动管11受到PWM信号控制导通，上桥右臂驱动管20为常闭状态，下桥右臂驱动管21为常开状态，直流电机M产生反电动势从而产生制动电流I_c(方向如图2所示)，制动电流I_c的方向和正向驱动控制中的驱动电流I_a相反从而使得直流电机M缓慢正向制动，反电势和转速成正比，当反电动势足够大时，使得上桥左臂驱动管10被导通而产生的续流电流I_b'(电流方向如图2所示)对电池V_cc充电，从而形成直流电机M的正向再生制动控制；

如图3所示，所述上桥右臂驱动管20和所述下桥右臂驱动管21均受到PWM信号控制，上桥右臂驱动管20受到PWM信号控制导通，下桥右臂驱动管21受到PWM信号关闭，同时所述上桥左臂驱动管10为常闭状态(上桥左臂驱动管10的栅极输入低电平“0”)，所述下桥左臂驱动管11为常开状态(下桥左臂驱动管11的栅极输入高电平“1”)，产生反向的驱动电流I_a'(方向如图3所示)使直流电机M反转，从而形成所述直流电机M的反向驱动控制，当上桥右臂驱动管20逐渐关闭(上桥右臂驱动管20的占空比不断减小)，下桥右臂驱动管21为导通状态时，产生续流电流I_b”(方向如图3所示)，续流电流I_b”为在直流电机M上流过的持续减弱的电流，续流电流I_b”方向与反向的驱动电流I_a'在直流电机M中流过的方向仍相同，直流电机M仍然反转；

如图4所示，上桥右臂驱动管20受到PWM信号控制关闭，下桥右臂驱动管21受到PWM信号控制导通，上桥左臂驱动管10为常闭状态，下桥左臂驱动管11为常开状态，直流电机M产生反电动势从而产生制动电流I_c'(方向如图4所示)，制动电流I_c'的方向和反向驱动控制中的驱动电流I_a'相反从而使得直流电机M缓慢反向制动，反电势和转速成正比，当反电动势足够大时，使得上桥右臂驱动管20被导通而产生的续流电流I_b”'(方向如图4所示)对电池V_cc充电，从而形成直流电机M的反向再生制动控制；

如图5所示，所述上桥左臂驱动管10和所述上桥右臂驱动管20均为常闭状态(上桥左臂驱动管10的栅极以及上桥右臂驱动管20的栅极均输入低电平“0”)，所述下桥左臂驱动管11和所述下桥右臂驱动管21均为常开状态(下桥左臂驱动管11的栅极以及下桥右臂驱动管21的栅极均输入高电平“1”)，直流电机M两端均接地，从而形成所述直流电机M短路控制，将直流电机M短路使得直流电机M转动阻力很大，直流电机M被锁住，很安全；

如图6所示，所述上桥左臂驱动管10、所述上桥右臂驱动管20、所述下桥左臂驱动管11和所述下桥右臂驱动管21均为常闭状态(上桥左臂驱动管10的栅极、上桥右臂驱动管20的栅极、下桥左臂驱动管11的栅极以及下桥右臂驱动管21的栅极均输入低电平“0”)，直流电机M两端均开路，从而形成所述直流电机M开路控制；

如图7所示，所述上桥左臂驱动管10和所述上桥右臂驱动管20均为常闭状态(上桥左臂驱动管10的栅极和上桥右臂驱动管20的栅极均输入低电平“0”)，所述下桥左臂驱动管11受PWM信号控制，所述下桥右臂驱动管21为常开状态(下桥右臂驱动管21的栅极均输入高电平“1”)，从而形成所述直流电机M的正向推行限速控制，直流电机M在正向推行时，直流电机M产生感应电动势，感应电动势足够大时，使得上桥右臂驱动管20被导通从而产生续流电流I_b””(方向如图7所示)以及制动电流I_c”(方向如图7所示)，直流电机M在正向推行状态下，加速信号无效；

如图8所示，所述上桥左臂驱动管10和所述上桥右臂驱动管20均为常闭状态(上桥左臂驱动管10的栅极和上桥右臂驱动管20的栅极均输入低电平“0”)，所述下桥左臂驱动管11为常开状态(下桥左臂驱动管11的栅极均输入上高电平“1”)，所述下桥右臂驱动管21受PWM信号控制，从而形成所述直流电机M的反向推行限速控制，直流电机M在反向推行时，产生续流电流I_b””'(方向如图8所示)以及制动电流I_c”'(方向如图8所示)，直流电机M在反向推行状态下，加速信号无效；

需要注意的是，在直流电机M的正向推行限速控制和反向推行限速控制时，也可以采用如同正向驱动控制和反向驱动控制的方式进行速度控制，但是那样的话，上桥也处于PWM信号控制状态，万一控制不好很容易出现驱动直流电机M运行而不是阻止直流电机M运行，虽然说上桥进行脉宽调制可以减少推行限速时上桥的功耗，但两者相比较而言，推行时，强制关闭上桥，其安全性更好，所以推行限速采用专门的控制；

所述直流电机M的一端连接至所述上桥左臂驱动管10和所述下桥左臂驱动管11之间，所述直流电机M的另一端连接至所述上桥右臂驱动管20和所述下桥右臂驱动管21之间，所述上桥左臂驱动管10和所述上桥右臂驱动管20同时与电源V_cc连接，所述下桥左臂驱动管11和所述下桥右臂驱动管21同时接地，所述直流电机M两端并联有相串联的电阻一R1和电阻二R2，所述电机一R1和电阻二R2之间连接有电阻三R3，所述电阻三R3同时接地，所述电阻三R3两端并联有电容C，电容C为电解电容，通过电容C有效降低电池电压的纹波，在正常的直流电机M驱动过程中，在PWM开通期间，直流电机M就会成为电池V_cc的负载，而在PWM关断期间，直流电机M是不会由电池V_cc供电的，所以如果没有大容量电容C的存在，电池V_cc电压就会由于负载的变化造成比较大的纹波信号。而有了大容量电容C，在PWM开通期间，电容C会帮助电池V_cc一起给直流电机M供电，即直流电机M电流一部分来自于电容C，一部分来自于电池V_cc，而在PWM关断期间电池V_cc会给电容C补足充电。可见，在整个脉宽调制的过程中，这个电容C是在不断的进行着充放电。而每个电容C都有或大或小的等效电阻(ESR)存在，根据焦耳定律，这个连续不停的充放电电流在这个等效电阻上就会产生热量。为了减少这个发热量，就必须选用等效电阻较小的电解电容C，而电解电容C的等效电阻在低温时会成倍的上升。在低温区，我们需要降低限流值以保护功率电解电容C不会因为变大的等效电阻而一下子产生过多的热量；

所述上桥左臂驱动管10、所述上桥右臂驱动管20、所述下桥左臂驱动管11和所述下桥右臂驱动管21均为N沟道增强型MOS管；

在所述正向驱动控制、所述正向再生制动控制、所述正向推行限速控制和所述直流电机M短路控制时，选取所述直流电机M、所述上桥右臂驱动管20和所述下桥右臂驱动管21之间的连接点作为所述直流电机M的电流取样点一A；

在所述反向驱动控制、所述反向再生制动控制和所述反向推行限速控制时，选取所述直流电机M、所述上桥左臂驱动管10和所述下桥左臂驱动管11之间的连接点作为所述直流电机M的电流取样点二B；

采用单片机分别通过电流取样点一A和电流取样点二B进行电流测量，在电流取样点一A处测量电流时，利用下桥右臂驱动管21的内阻，从而测量出流过直流电机M的电流；在电流取样点二B处测量电流时，利用下桥左臂驱动管11的内阻，从而测量出流过直流电机M的电流；下桥右臂驱动管21和下桥左臂驱动管11的导通电阻在-55℃～200℃温度范围内阻值从几毫欧变化到十几毫欧，为了节省成本，可不用放大电路对该电流信号进行放大，而是直接用单片机的10位AD进行采样。因为电流的方向是不确定的，即各MOS管漏极端的电压可正可负，所以需要两个串联的电阻一R1和电阻二R2进行电压偏置，从而保证了单片机AD口上的电压都是正的；

在所述正向驱动控制、所述正向再生制动控制、所述反向驱动控制、所述反向再生制动控制、所述正向推行限速控制、所述反向推行限速控制和所述直流电机M短路控制时，均选取所述电阻一R1、电阻二R2和电阻三R3的连接点作为所述直流电机M的电压取样点V，采用单片机对电压取样点V进行电压采样从而得出直流电机M的电压；

采用LM5109驱动芯片并通过单片机来驱动各驱动管，每个驱动芯片能同时驱动两个驱动管，所以总共需要两片LM5109驱动芯片来完成H桥的驱动；

在部分电路发生损坏的情况下，大电流可能经过LM5109驱动芯片流向单片机而导致单片机损坏。如果单片机损坏了，就有可能造成车辆处于失控状态而飞车。在驱动芯片的输入引脚和单片机的管脚之间串入10KΩ的电阻，这样就可以在一定程度上保护单片机不受功率部分电路损坏的影响。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种直流电机的H桥驱动方法，其特征在于，包括直流电机的正向驱动控制、正向再生制动控制、反向驱动控制、反向再生制动控制、直流电机短路控制、直流电机开路控制、正向推行限速控制和反向推行限速控制，其中，上桥左臂驱动管和下桥左臂驱动管均受到PWM信号控制，同时上桥右臂驱动管为常闭状态，下桥右臂驱动管为常开状态，从而形成所述直流电机的正向驱动控制和正向再生制动控制；

所述上桥右臂驱动管和所述下桥右臂驱动管均受到PWM信号控制，同时所述上桥左臂驱动管为常闭状态，所述下桥左臂驱动管为常开状态，从而形成所述直流电机的反向驱动控制和反向再生制动控制；

所述上桥左臂驱动管和所述上桥右臂驱动管均为常闭状态，所述下桥左臂驱动管和所述下桥右臂驱动管均为常开状态，从而形成所述直流电机短路控制；

所述上桥左臂驱动管、所述上桥右臂驱动管、所述下桥左臂驱动管和所述下桥右臂驱动管均为常闭状态，从而形成所述直流电机开路控制；

所述上桥左臂驱动管和所述上桥右臂驱动管均为常闭状态，所述下桥左臂驱动管受PWM信号控制，所述下桥右臂驱动管为常开状态，从而形成所述直流电机的正向推行限速控制；

所述上桥左臂驱动管和所述上桥右臂驱动管均为常闭状态，所述下桥左臂驱动管为常开状态，所述下桥右臂驱动管受PWM信号控制，从而形成所述直流电机的反向推行限速控制；

常开状态表示驱动管的栅极输入高电平“1”，常闭状态表示驱动管的栅极输入低电平“0”。

2.如权利要求1所述的一种直流电机的H桥驱动方法，其特征在于，所述直流电机的一端连接至所述上桥左臂驱动管和所述下桥左臂驱动管之间，所述直流电机的另一端连接至所述上桥右臂驱动管和所述下桥右臂驱动管之间，所述上桥左臂驱动管和所述上桥右臂驱动管同时与电源连接，所述下桥左臂驱动管和所述下桥右臂驱动管同时接地。

3.如权利要求2所述的一种直流电机的H桥驱动方法，其特征在于，所述直流电机两端并联有相串联的电阻一和电阻二，所述电机一和电阻二之间连接有电阻三，所述电阻三同时接地。

4.如权利要求3所述的一种直流电机的H桥驱动方法，其特征在于，所述电阻三两端并联有电容。

5.如权利要求1所述的一种直流电机的H桥驱动方法，其特征在于，所述上桥左臂驱动管、所述上桥右臂驱动管、所述下桥左臂驱动管和所述下桥右臂驱动管均为N沟道增强型MOS管。

6.如权利要求1所述的一种直流电机的H桥驱动方法，其特征在于，在所述正向驱动控制、所述正向再生制动控制、所述正向推行限速控制和所述直流电机短路控制时，选取所述直流电机、所述上桥右臂驱动管和所述下桥右臂驱动管之间的连接点作为所述直流电机的电流取样点一。

7.如权利要求1所述的一种直流电机的H桥驱动方法，其特征在于，在所述反向驱动控制、所述反向再生制动控制和所述反向推行限速控制时，选取所述直流电机、所述上桥左臂驱动管和所述下桥左臂驱动管之间的连接点作为所述直流电机的电流取样点二。

8.如权利要求3所述的一种直流电机的H桥驱动方法，其特征在于，在所述正向驱动控制、所述正向再生制动控制、所述反向驱动控制、所述反向再生制动控制、所述正向推行限速控制、所述反向推行限速控制和所述直流电机短路控制时，均选取所述电阻一、电阻二和电阻三的连接点作为所述直流电机的电压取样点。

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