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什么是H橋?

H橋是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的電路，通常它會(huì)包含四個(gè)獨(dú)立控制的開(kāi)關(guān)元器件(例如MOS-FET),它們通常用于驅(qū)動(dòng)電流較大的負(fù)載，比如電機(jī)，至于為什么要叫H橋(H-Bridge)，因?yàn)殚L(zhǎng)得比較像字母H，具體如下圖所示;

這里有四個(gè)開(kāi)關(guān)元器件Q1，Q2，Q3，Q4，另外還有一個(gè)直流電機(jī)M，D1，D2，D3，D4是MOS-FET的續(xù)流二極管;

開(kāi)關(guān)狀態(tài)

下面以控制一個(gè)直流電機(jī)為例，對(duì)H橋的幾種開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，其中正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)是人為規(guī)定的方向，實(shí)際工程中按照實(shí)際情況進(jìn)行劃分即可;

正轉(zhuǎn)

通常H橋用來(lái)驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，這里我們來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電機(jī);

• 打開(kāi)Q1和Q4;
• 關(guān)閉Q2和Q3;

此時(shí)假設(shè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，這電流依次經(jīng)過(guò)Q1，M，Q4，在圖中使用黃色線段進(jìn)行標(biāo)注，具體如下圖所示;

正轉(zhuǎn)

反轉(zhuǎn)

另外一種狀態(tài)則是電機(jī)反轉(zhuǎn);此時(shí)四個(gè)開(kāi)關(guān)元器件的狀態(tài)如下;

• 關(guān)閉Q1和Q4;
• 打開(kāi)Q2和Q3;

此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)(與前面介紹的情況相反)，這電流依次經(jīng)過(guò)Q2，M，Q3，在圖中使用黃色線段進(jìn)行標(biāo)注，具體如下圖所示;

反轉(zhuǎn)

調(diào)速

如果要對(duì)直流電機(jī)調(diào)速，其中的一種方案就是;

• 關(guān)閉Q2，Q3;
• 打開(kāi)Q1，Q4上給它輸入50%占空比的PWM波形，這樣就達(dá)到了降低轉(zhuǎn)速的效果，如果需要增加轉(zhuǎn)速，則將輸入PWM的占空比設(shè)置為100%;

具體如下所示;

停止?fàn)顟B(tài)

這里以電機(jī)從正轉(zhuǎn)切換到停止?fàn)顟B(tài)為例;

• 正轉(zhuǎn)情況下;Q1和Q4是打開(kāi)狀態(tài);
• 這時(shí)候如果關(guān)閉Q1和Q4，直流電機(jī)內(nèi)部可以等效成電感，也就是感性負(fù)載，電流不會(huì)突變，那么電流將繼續(xù)保持原來(lái)的方向進(jìn)行流動(dòng)，這時(shí)候我們希望電機(jī)里的電流可以快速衰減;

這里有兩種辦法：

第一種：關(guān)閉Q1和Q4，這時(shí)候電流仍然會(huì)通過(guò)反向續(xù)流二極管進(jìn)行流動(dòng)，此時(shí)短暫打開(kāi)Q1和Q3從而達(dá)到快速衰減電流的目的;

第二種：準(zhǔn)備停止的時(shí)候，關(guān)閉Q1，打開(kāi)Q2，這時(shí)候電流并不會(huì)衰減地很快，電流循環(huán)在Q2，M，Q4之間流動(dòng)，通過(guò)MOS-FET的內(nèi)阻將電能消耗掉;

應(yīng)用

實(shí)際使用的時(shí)候，用分立元件制作H橋是很麻煩的，市面上已經(jīng)有很多比較常用的IC方案，比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。接上電源、電機(jī)，通過(guò)輸入控制信號(hào)就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)了;

下面是某寶上的L298N模塊，比較常見(jiàn)，對(duì)于新手玩家非常友好，接線也十分簡(jiǎn)單;

L298N模塊

這個(gè)模塊有一個(gè)板載5V穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可使用跳線的方式進(jìn)行使能。

如果電機(jī)電源電壓高達(dá)12V，我們可以啟用5V穩(wěn)壓器，并且5V引腳可以用作輸出，例如給Arduino板供電。

但是，如果電動(dòng)機(jī)電壓大于12V，則必須斷開(kāi)跳線，因?yàn)檫@些電壓會(huì)損壞板載5V穩(wěn)壓器。

在這種情況下，5V引腳將用作輸入，因?yàn)槲覀冃枰獙⑵溥B接到5V電源，以使IC正常工作。

我們?cè)谶@里可以注意到，該IC的電壓降約為2V。因此，如果使用12V電源，則電動(dòng)機(jī)端子上的電壓約為10V，這意味著我們將無(wú)法從12V直流電動(dòng)機(jī)中獲得最大速度。

這里使用Arduino為例，這是網(wǎng)上找的一個(gè)Demo整體的框架如下圖所示;

架構(gòu)

#define enA 9 
#define in1 6 
#define in2 7 
#define button 4 
 
int rotDirection = 0; 
int pressed = false; 
 
void setup() { 
  pinMode(enA, OUTPUT); 
  pinMode(in1, OUTPUT); 
  pinMode(in2, OUTPUT); 
  pinMode(button, INPUT); 
  // Set initial rotation direction 
  digitalWrite(in1, LOW); 
  digitalWrite(in2, HIGH); 
} 
 
void loop() { 
// Read potentiometer value 
  int potValue = analogRead(A0);  
  // Map the potentiometer value from 0 to 255 
  int pwmOutput = map(potValue, 0, 1023, 0 , 255);  
  // Send PWM signal to L298N Enable pin 
  analogWrite(enA, pwmOutput);  
 
  // Read button - Debounce 
  if (digitalRead(button) == true) { 
    pressed = !pressed; 
  } 
  while (digitalRead(button) == true); 
  delay(20); 
 
  // If button is pressed - change rotation direction 
  if (pressed == true  & rotDirection == 0) { 
    digitalWrite(in1, HIGH); 
    digitalWrite(in2, LOW); 
    rotDirection = 1; 
    delay(20); 
  } 
  // If button is pressed - change rotation direction 
  if (pressed == false & rotDirection == 1) { 
    digitalWrite(in1, LOW); 
    digitalWrite(in2, HIGH); 
    rotDirection = 0; 
    delay(20); 
  } 
} 

簡(jiǎn)單描述一下：首先我們需要定義程序所需的引腳和變量。

在setup()中，我們需要設(shè)置引腳模式和電機(jī)的初始旋轉(zhuǎn)方向。

在loop()中，我們先讀取電位器值，然后將從中獲得的值從0到1023變化，線性映射到PWM信號(hào)的0到255的值，將其從0到100%的占空比。

然后使用analogWrite()函數(shù)將PWM信號(hào)發(fā)送到L298N板的Enable引腳，該引腳實(shí)際上驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

接下來(lái)，我們檢查是否按下了按鈕，如果是的話，我們將輸入1和輸入2的狀態(tài)反置，從而改變電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。該按鈕將用作切換按鈕，每次按下該按鈕都會(huì)改變電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

某寶上這種小車(chē)很多，如下圖所示;主控可以換成51單片機(jī)或者STM32，當(dāng)然Arduino也沒(méi)問(wèn)題，使用L298N就可以快速搭建一個(gè)小車(chē)了;

某寶的小車(chē)

總結(jié)

本文簡(jiǎn)單介紹了H橋的原理，并以直流電機(jī)為例簡(jiǎn)單介紹了驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)，整體比較簡(jiǎn)單，適合新手玩家，最后給出了基于Arduino和L298N的驅(qū)動(dòng)示例，僅供參考，感興趣可以去某寶逛逛，enjoy。