CN201282438Y - H桥直流电机驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种H桥直流电机驱动电路，包括驱动直流电机的H桥控制单元，与H桥控制单元分立设置并电连接的H桥使能单元，与H桥使能单元相连接的信号接收单元，以及一个电流检测单元；其中，H桥控制单元包括四个分立设置的场效应管，四个场效应管包括两个处于高端的P沟道场效应管和两个处于低端的N沟道场效应管；信号接收单元用于接收方向控制信号和速度控制信号；H桥使能单元用于依据方向控制信号和速度控制信号，通过至少两种分立设置的逻辑门电路，同时实现一个高端场效应管-电机-低端场效应管的电流通路；电流检测单元用于测量流过电机电枢的电流。本实用新型采用分立元器件构造直流电机驱动电路，从而，降低了驱动电路的成本。

Description

H桥直流电机驱动电路

技术领域

本实用新型涉及一种电机驱动电路，具体地，涉及一种H桥直流电机驱动电路。

背景技术

就目前而言，采用H桥的电路形式对直流电机进行驱动是一种很常见的方式，其应用非常广泛。

图1为典型的采用H桥(H-bridge)直流电机驱动电路的工作原理图，如图1所示，之所以称为“H桥直流电机驱动电路”是因为电路的形状酷似字母H。驱动电路包括4个三极管Q1、Q2、Q3、Q4和一个电机M，其中，Q1，Q3为两个处于高端的P沟道场效应管或者PNP型三极管(图1、图2采用PNP型三极管示例)；Q2，Q4为两个处于低端的N沟道场效应管或者NPN型三极管(图1、图2采用NPN型三极管示例)。要使电机M运转，则必须导通处于对角线位置上的一对三极管，例如，可以导通三极管对Q1与Q4，也可以导通三极管对Q2与Q3。根据不同三极管对的导通情况，通过直流电机的电流可能会从左至右或者从右至左，从而实现控制电机按照顺时针方向或者逆时针方向的转动。

图2为直流电机顺时针转动时，H桥直流电路的工作状态示意图，如图2所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。

图3为直流电机逆时针转动时，H桥直流电路的工作状态示意图，如图3所示，当Q2管和Q3管导通时，电流就从电源正极经Q3从右至左穿过电机，然后再经Q2回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机逆时针转动。

对于上述驱动电路来说，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要：因为如果位于同一侧的三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极，而此时，由于电路中除了三极管外没有其他任何负载，将有可能导致烧毁三极管，对于场效应管也存在同样的问题。

基于上述原因，在实际驱动电路中要添加硬件电路来控制三极管或者场效应管，通常的做法是采用集成芯片的方案，将硬件电路集成到芯片中，例如，芯片L293D、芯片L298N、芯片TA7257P、芯片SN754410等，这样做的优点是，除了可以避免同一侧的三极管或者场效应管同时导通被烧毁之外，一般还具有死区控制、过压/欠压、过流、过热等保护措施，因此可以更好的保护电路；缺点是成本比较高。针对中、低端价位产品而言，采用集成芯片控制的方案可能成为阻碍产品开发的瓶颈问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种H桥直流电机驱动电路，能够在降低驱动电路成本的前提下，实现H桥直流电机驱动电路。

为了解决上述问题，本实用新型公开了一种H桥直流电机驱动电路，包括用于驱动直流电机的H桥控制单元，与H桥控制单元分立设置并电连接的H桥使能单元，以及与H桥使能单元相连接的信号接收单元；其中，H桥控制单元包括四个分立设置的场效应管，四个场效应管包括两个处于高端的P沟道场效应管和两个处于低端的N沟道场效应管；信号接收单元用于接收方向控制信号和速度控制信号；H桥使能单元用于依据方向控制信号和速度控制信号，通过至少两种分立设置的逻辑门电路，使得在同一时刻实现一个高端场效应管—电机—低端场效应管的电流通路。

优选地，H桥使能单元中的逻辑门电路包括或门以及非门，或门包括第一或门和第二或门，非门包括第一非门、第二非门和第三非门；方向控制信号与第一非门相连接构成支路一；速度控制信号与第二非门相连接构成支路二，并且支路一和支路二作为第一或门的输入信号，第一或门的输出端与H桥控制单元的一个高端场效应管相连接；支路一与第三非门的输入端连接，第三非门的输出端和支路二作为第二或门的输入信号，第二或门的输出端与H桥控制单元的另外一个高端场效应管相连接。

优选地，支路一还与H桥控制单元的一个低端场效应管相连接；第三非门的输出端还与H桥控制单元的另外一个低端场效应管相连接。

优选地，第一或门和第二或门采用四二输入的或门器件CD4071实现；第一非门、第二非门和第三非门采用六非门器件CD4069实现。

优选地，H桥控制单元还连接有电流检测单元。

优选地，电流检测单元由检测电阻组成。

优选地，在驱动电路和电源之间还包括总保险开关。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

针对现有技术中，对于驱动直流电机的集成芯片成本高的问题，采用了分立元器件构造驱动电路，从而，降低了驱动电路的成本。

附图说明

图1为根据现有技术的典型的采用H桥直流电机驱动电路的工作原理图；

图2为根据现有技术的直流电机顺时针转动时，H桥直流电路的工作状态示意图；

图3为根据现有技术的直流电机逆时针转动时，H桥直流电路的工作状态示意图；

图4为根据本实用新型直流电机驱动电路的电路结构示意图；

图5为根据本实用新型一个实施例的直流电机驱动电路的详细电路结构示意图；

图6为本实用新型实施例的增加了电流检测单元的直流电机驱动电路的结构示意图；

图7为根据图5所示的实施例，增加了电流检测单元的直流电机驱动电路的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型的核心思想是采用分立的逻辑门电路代替现有技术中的集成电路芯片来构成H桥使能单元，换言之，本实用新型“分立”的具体含义就是，没有采用现有的集成电路芯片来驱动直流电机，而是根据直流电机控制逻辑的需要，选用市面上通用的电子器件：场效应管与逻辑门来自行搭建控制电路，从而降低了H桥直流电机驱动电路的成本。

参照图4，示出了根据本实用新型直流电机驱动电路的电路结构示意图，如图4所示，该电路结构示意图包括三个单元，信号接收单元401、包括分立的逻辑门电路的H桥使能单元402、H桥控制单元403。其中，信号接收单元401、H桥使能单元402与H桥控制单元403依次顺序连接。

信号接收单元401用于接收控制电机的控制信号，包括控制电机转向的方向信号以及控制电机转速的速度信号；H桥使能单元402对于H桥控制单元403的控制是由分立的逻辑门电路来实现的，从而保证了H桥能够安全可靠的工作；H桥控制单元403，与所述H桥使能单元相连接，用于驱动所述直流电机，包括二个处于高端的P沟道场效应管和两个处于低端的N沟道场效应管。在正常的工作状态下，仅仅是H桥的处于对角线状态的一对场效应管同时导通，即一个高端场效应管和与之处于对角线位置的一个地位场效应管同时导通。

参照图5，示出了根据本实用新型一个实施例的直流电机驱动电路的详细电路结构示意图。

如图5所示，信号接收单元接收来自于外部(例如，可以是单片机)传送给驱动电路的控制信号，如上所述，该控制信号包括两路，控制电机转向的第一控制信号，也称方向信号，以及控制电机转速的第二控制信号，也称速度信号；其中，速度信号可以通过PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)的方式产生，通过改变直流电机电枢电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。

H桥使能单元中的逻辑门电路包括或门以及非门，或门包括第一或门501和第二或门502，非门包括第一非门504、第二非门506和第三非门508，方向信号与第一非门504相连接构成支路一，速度信号与第二非门506相连接构成支路二。

在整个H桥使能单元中，有两个不同的工作电路，其中，工作电路一为：支路一与支路二作为第一或门501的输入信号，第一或门501的输出端与H桥控制单元的一个高端场效应管Q1相连接，并且，所述第三非门508的输出端还与所述H桥控制单元的一个低端场效应管Q4相连接；工作电路二为，支路一与第三非门508的输出端连接后，第三非门508的输出端和支路二作为第二或门502的输入信号，第二或门502的输出端与H桥控制单元的另外一个高端场效应管Q3相连接，并且，所述支路一还与所述H桥控制单元的另外一个低端场效应管Q2相连接。

在工作过程中，根据实际的需要，即电机的正转或者反转的不同情况，将有选择地由工作电路一或者工作电路二来使H桥控制单元中的不同场效应管对(Q1、Q4)或者(Q3、Q2)来工作。

在这里，或门器件以及非门器件的选型可以依据实际控制电路中，需要驱动的电机的数目来考虑。例如，在一个控制系统中，有两个电机需要驱动，则需要两套如本实用新型所描述的驱动电路，因为在一套如本实施例所描述的驱动电路中，需要两个二输入或门以及三个非门，则本控制系统共需要四个二输入或门以及六个非门，恰好CD4071包括四个二输入的与门，CD4069包括六个非门，因此，采用一个CD4071与一个CD4069，即可方便的搭建本实用新型所描述的直流电机驱动电路，从而驱动两个电机的运转。

当然，本实用新型并不限于上述型号的元器件，并且，整个逻辑电路也并不限于或门和非门组成，其他的门电路也可以选择，例如，与非门器件等，只要能够实现所需的逻辑功能的分立逻辑门电路都在选型范围内，在此不一一列举。

在H桥控制单元的构建过程中，本领域的技术人员可以理解，在高端的晶体管必须是PNP型三极管或者P沟道场效应管；低端的晶体管必须是NPN型三极管或者N沟道场效应管。另外，由于N沟道场效应管比P沟道场效应管便宜，所以有人用N沟道场效应管作为高端场效应管，不过由于需要增加自举升压电路，从而会导致电路复杂以及成本提高。

下面具体描述本实施例直流电机驱动电路在具体的实施过程中的工作情况：

若方向信号为0，一方面，此时工作电路一中，第一非门504的输入为0，则其输出为1，第一或门501的一个输入为1，因而，第一或门501的输出即为1，又由于场效应管Q1为P沟道场效应管，故Q1截止；与此同时，第三非门508的输出为0，Q4输入低电平，三级管Q4为N沟道场效应管，所以场效应管Q4被截止，因此Q1至Q4的电路不能导通。

另一方面，在工作电路二中，第三非门508的输入为1，输出为0，因此第二或门502的一个输入为0，另外一个输入为速度信号，其中，当速度信号为0时，Q3的输入为高电平，Q3导通；与此同时，第一非门504的输出为1，Q2端的输入信号为高电平，Q2导通，从而，处于对角线位置的高端场效应管Q3到低端场效应管Q2的电路导通，电流从右至左流过电机，电机旋转。

同理，如果方向信号为1，Q3至Q2的电路不能导通，处于对角线位置的高端场效应管Q1到低端场效应管Q4的电路导通，电流从左至右流过电机，电机反向旋转。

通过PWM速度信号与方向信号的配合，同时实现了电机转向及转速的控制。

参照图6，示出了本实用新型实施例的增加了电流检测单元的直流电机驱动电路结构示意图，如图6所示，该电路包括信号接收单元601，包括分立的逻辑门电路的H桥使能单元602，H桥控制单元603以及电流检测单元604，增加的电流检测单元与H桥控制单元603相连接。此处的电流检测单元604检测的目标值为流过电机的电流大小。检测的目的在于确定电机、以及与电机相连接的负载是否处于正常的运动状态。例如，检测的目标值可以采用如下步骤来确定：

首先，测定电机在正常工作状态下工作电流；具体地，电机所带负载的不同，正常状态下的工作电流也不同；

第二，测定电机的堵转电流；电机不同、电源电压不同，堵转电流也不同；

第三，在堵转电流与正常工作电流中间选取一个值作为检测的目标值。

如果目前的工作电流值大于检测的目标值，则意味着电机的运转出现了问题，可以采取一些相应的措施，比如，切断电机供电电源等。

因此，电流检测单元可以起到过流保护以及限位保护的作用，可以更好的保护驱动电路以及电机不被烧毁，进一步地，对于与电机相连接的负载而言，还可以起到限位保护的作用。

参照图7，示出了根据图5所示的实施例，增加了电流检测单元的直流电机驱动电路结构示意图。其中，电流检测单元由一个检测电阻712组成。

另外，为了降低成本以及直流电机驱动电路的复杂度，本实用新型设计的直流电机驱动电路一般不会包括集成芯片中所具有死区控制、过压/欠压、过流、过热等保护电路，但是，为了安全起见，在直流电机驱动电路之外，最好增加一个总保险开关；这样，在电路发生异常的情况下，总保险开关可以起到保护电路及电机的作用。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本实用新型所提供的种H桥直流电机驱动电路，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (7)

1、一种H桥直流电机驱动电路，其特征在于，包括：

用于驱动直流电机的H桥控制单元，与所述H桥控制单元分立设置并电连接的H桥使能单元，以及与所述H桥使能单元相连接的信号接收单元；其中，

所述H桥控制单元包括四个分立设置的场效应管，所述四个场效应管包括两个处于高端的P沟道场效应管和两个处于低端的N沟道场效应管；

所述信号接收单元用于接收方向控制信号和速度控制信号；

所述H桥使能单元用于依据所述方向控制信号和速度控制信号，通过至少两种分立设置的逻辑门电路，使得在同一时刻实现一个高端场效应管—电机—低端场效应管的电流通路。

2、根据权利要求1所述的直流电机驱动电路，其特征在于，所述H桥使能单元中的所述逻辑门电路包括或门以及非门，所述或门包括第一或门和第二或门，所述非门包括第一非门、第二非门和第三非门；并且

所述方向控制信号与所述第一非门相连接构成支路一；所述速度控制信号与所述第二非门相连接构成支路二，并且

所述支路一和所述支路二作为所述第一或门的输入信号，所述第一或门的输出端与所述H桥控制单元的一个高端场效应管相连接；

所述支路一与第三非门的输入端连接，所述第三非门的输出端和所述支路二作为所述第二或门的输入信号，所述第二或门的输出端与所述H桥控制单元的另外一个高端场效应管相连接。

3、根据权利要求2所述的直流电机驱动电路，其特征在于，

所述支路一还与所述H桥控制单元的一个低端场效应管相连接；

所述第三非门的输出端还与所述H桥控制单元的另外一个低端场效应管相连接。

4、根据权利要求2所述的直流电机驱动电路，其特征在于，所述第一或门和所述第二或门采用四二输入的或门器件CD4071实现；所述第一非门、第二非门和第三非门采用六非门器件CD4069实现。

5、根据权利要求3的直流电机驱动电路，其特征在于，所述H桥控制单元还连接有电流检测单元。

6、根据权利要求5的直流电机驱动电路，其特征在于，所述电流检测单元由检测电阻组成。

7、根据权利要求1的直流电机驱动电路，其特征在于，在所述驱动电路和电源之间还包括总保险开关。

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