小型輪式機器人直流電機H橋驅動電路的設計

文/宋澤清

1 電路總體設計

1.1 電路總體設計

本電路包括電源電路、H 橋電路、MOS管Q2 控制電路、MOS 管Q3 控制電路、MOS管Q7 控制電路、MOS 管Q8 控制電路。如圖1所示。

1.2 電路基本原理

直流電機由MOS管Q2、Q3、Q7、Q8 驅動。MOS 管Q2、Q3、Q7、Q8 分別由對應的控制電路控制，各控制電路通過對H 橋電路四個MOS 管的控制實現對直流電機的控制。

2 電路設計

2.1 電源電路

電源電路由12V 電池插座J4、電源開關S1、防反接二極管D9、電解電容C2、瓷片電容C3、開關穩壓電源芯片U4、電感L1、二極管D10、電解電容C4、瓷片電容C1、電阻R45 及電源指示發光二極管D11 組成。如圖2所示。

當開關S1 按下時12V 電池電源由插座J4引入，供給H 橋及H 橋MOS 管控制電路，+12V 的電源經過開關穩壓芯片U4 穩壓后為H 橋MOS 管控制電路提供5V 電源。當開關S1 再次按下時，斷開系統電源。

2.2 H橋電路設計

圖1：電路設計框圖

H橋電路由MOS管Q2、Q3、Q7、Q8及通過接線端子J1 接入的直流電機組成。如圖2所示。

當MOS管Q2和Q8導通時，電流從12V 電源正極流過MOS 管Q2、直流電機、MOS 管Q8，然后入地，從而使直流電機正轉。

當MOS管Q3和Q7導通時，電流從12V 電源正極流過MOS 管Q3、直流電機、MOS 管Q7，然后入地，從而使直流電機反轉。

當MOS管Q2和Q3導通或MOS 管Q7和Q8 導通時，直流電機接入閉合回路，從而使直流電機制動。

2.3 MOS管Q2控制電路

MOS 管Q2 控制電路由外部信號接線端子J2、二輸入與非門U1A、三極管Q1、三極管Q5、電阻R1、電阻R2、電阻R5、電阻R6、電阻R9、電阻R11 和電阻R12 構成。如圖2所示。

當外部給二輸入與非門U1A 的1 腳、2腳提供高電平信號時，二輸入與非門U1A 的3腳輸出低電平信號，使三極管Q5 截止，三極管Q5 的集電極輸出高電平信號，使三極管Q1導通，+12V 電源經電阻R1 分壓獲得2V 左右的電壓供給MOS 管Q2 的柵極即VG=2V，由 于MOS 管Q2 的 源 極VS=12V，VG-VS=-10V，MOS 管Q2 的型號為IRF9Z24N，該型號MOS 管的最小開啟電壓VGS(TH)=-2V，VGVS＜VGS(TH)，滿足MOS 管Q2 導通條件，所以，MOS 管Q2 控制電路控制MOS 管Q2 導通。

當外部給二輸入與非門U1A 的1 腳提供低電平信號、2 腳提供低電平信號；當外部給二輸入與非門U1A 的1 腳提供低電平信號、2 腳提供高電平信號；當外部給二輸入與非門U1A 的1 腳提供高電平信號、2 腳提供低電平信號，以上三種情況二輸入與非門U1A 的3 腳均輸出高電平信號，使三極管Q5 導通，使三極管Q1 截止，MOS 管Q2 的柵極電壓VG=12V，由于MOS 管Q2 的源極VS=12V，VG-VS=0V，VG-VS＞VGS(TH)，不 滿 足MOS 管Q2 導通條件，所以，MOS 管Q2 控制電路控制MOS 管Q2 截止。

MOS 管Q3 控制電路與MOS 管Q2 控制電路結構原理相同，不再贅述。

2.4 MOS管Q8控制電路

MOS 管Q8 控制電路由外部信號接線端子J2、反相器U2B、二輸入與非門U1D、三極管Q10、電阻R17、電阻R18、電阻R21 和電阻R22 構成。如圖2所示。

當外部給反相器U2B 的3 腳提供低電平信號時，低電平信號經過反相器U2B 的反相從反相器U2B 的4 腳輸出高電平信號給二輸入與非門U1D 的12 腳、外部給二輸入與非門U1D 的13 腳提供高電平信號時，二輸入與非門U1D 的11 腳輸出低電平信號，使三極管Q10 截止，三極管Q10 的集電極輸出12V 的電平信號，該信號給MOS 管Q8 的柵極即VG=12V，Q8 的源極接地即VS=0V，VGVS=12V，MOS 管Q8 的型號為IRFZ24N，該型號MOS 管的最小開啟電壓VGS(TH)=2V，VGVS＞VGS(TH)，所以，MOS 管Q8 控制電路控制MOS 管Q8 導通。

當外部給反相器U2B 的3 腳提供低電平信號、給二輸入與非門U1D 的13 腳提供低電平信號；當外部給反相器U2B 的3 腳提供高電平信號、外部給二輸入與非門U1D 的13腳提供低電平信號；當外部給反相器U2B 的3 腳提供高電平信號、外部給二輸入與非門U1D 的13 腳提供高電平信號，以上三種情況二輸入與非門U1D 的11 腳均輸出高電平信號，使三極管Q10 導通，三極管Q10 的集電極輸出0.3V 的低電平信號給MOS 管Q8 的柵極，VG=0.3V，MOS 管Q8 的源極接地，VS=0V，VG-VS=0.3V，VG-VS＜VGS(TH)，不 滿 足MOS 管Q8 的導通條件，所以，MOS 管Q8 控制電路控制MOS 管Q8 截止。

MOS 管Q7 控制電路與MOS 管Q8 控制電路結構原理相同，不再贅述。

3 結束語

采用本方案設計的小型輪式機器人直流電機H 橋驅動電路運行可靠，結構簡單，成本低廉，易于制作，具有較高的實用價值。