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直流有刷电机与H桥驱动

news 2025/7/9 10:16:43

直流有刷电机调速原理与H桥驱动实战：从原理到硬件驱动

在嵌入式系统开发中，电机控制是核心技术之一。本文以平衡车电机控制为例，深入解析直流有刷电机的调速原理、硬件驱动电路及实际应用，适合嵌入式工程师、物联网开发者及电机控制入门学习者。

一、引言：从“让电机转起来”到“精准控制转速”

在平衡车、机器人等项目中，电机控制的核心目标是调节转速与控制转向。本文聚焦直流有刷电机，通过PWM（脉冲宽度调制）与H桥电路实现基础调速，暂不涉及闭环控制（如PID算法），适合快速搭建电机驱动系统。

二、电机硬件结构解析：拆解“370减速电机”

1. 电机本体：直流有刷电机的核心组件

370型号：指电机直径37mm，属于中小型直流有刷电机，特点是转速快（空载转速高）但扭矩小，需搭配减速箱使用。
内部结构：
- 电刷：金属片，通过硬件接触实现电流换向，避免绕组与磁铁吸合导致停转。
- 绕组（电枢）：铜线绕制的线圈，通电后在磁场中受安培力驱动旋转。
- 硅钢片与定子磁铁：硅钢片提供磁路，定子磁铁（N/S极）产生恒定磁场，是安培力的“施力源”。

2. 减速箱：让高速电机“有力气”

作用：通过齿轮组降低转速、增大扭矩，适配平衡车等场景对“低速大扭矩”的需求。
结构：多层齿轮组（“拆后难装”，实际应用中无需自行拆解）。

3. 编码器：转速测量的“眼睛”

结构：霍尔传感器（2个）+ 11对极磁环 + 电路板。
原理：电机旋转时磁环同步转动，霍尔传感器检测磁场变化，输出两路相位差90°的方波信号，通过计算方波频率即可得到转速。

三、工作原理深度剖析：从电磁驱动到等效模型

1. 电磁驱动：安培力让电机“转起来”

左手定则：掌心迎磁感线（N→S），四指指向电流方向，大拇指即为安培力方向。
换向机制：电刷实时切换绕组电流方向，确保绕组两侧始终受相反方向的安培力，维持连续旋转。

2. 反电动势：电机旋转时的“电压阻力”

现象：绕组切割磁感线产生感应电动势，方向与电源电压相反，故称“反电动势”（ $E$ ）。
公式：
公式： $E=K_{e}\Omega$ ，其中 $K_{e}$ 为反电动势常数， $\Omega$ 为电机转速（rad/s）。转速越高，反电动势越大，抵消电源电压的效果越强。

3. 等效电路与力学模型

电路模型：电枢电阻 $R_{a}$ （绕组铜线电阻）、电枢电感 $L_{a}$ （绕组电感特性）、反电动势 $E$ 串联，构成电机的电气等效模型。
力学模型：转矩 $T_m=K_tI_a$ ( $K_t$ 为扭矩常数， $I_a$ 为电枢电流），转矩驱动电机产生角加速度 $\alpha$ ( $T_m = J\alpha$ )， $J$ 为转动惯量）。

四、H桥电路：电机调速的“核心枢纽”

1. 为什么不能直接用单片机驱动电机？

痛点：单片机IO口驱动电流小（通常<50mA），而电机工作电流可达数百mA甚至数A，直接连接会烧毁单片机。
解决方案：使用H桥电路（或集成驱动芯片）作为“功率放大器”，实现弱电（单片机）控制强电（电机）。

2. H桥电路的“三大功能”

（1）结构：4个MOS管组成“电力开关矩阵”

形状如字母“H”，上下桥臂各2个MOS管，中间连接电机，两端接电源正负极。

（2）正反转控制：切换电流方向

正转：左上、右下MOS管导通，电流从电源正→电机正→电机负→电源负。
反转：右上、左下MOS管导通，电流反向（电机负→正）。

（3）PWM调速：用“占空比”调节等效电压

高电平（导通）：电机电压=电池电压 ( V_{bat} )，能量注入。
低电平（断开）：电机电感产生反电动势，通过MOS管内置续流二极管放电，电压≈0，能量释放。
等效电压： $U_a=V_{bat}\times\text{占空比}$ ，占空比越大，平均电压越高，转速越快（空载时 $\Omega_m=U_a/K_e$ ）。

五、驱动芯片实战：TB6612FNG的硬件连接与控制逻辑

1. 芯片简介：集成双H桥的“电机驱动神器”

特点：单芯片支持2路电机驱动，内置续流二极管，支持大电流（持续输出1.2A，峰值3.2A），适配平衡车、小车等场景。

2. 引脚功能与硬件连接（以左电机为例）

引脚名称	功能	连接说明
AO1/AO2	电机接口	AO1接电机正极，AO2接电机负极
VM/PGND	电源输入	VM接电池正极（7.4V~12V），PGND接电池负极
AIN1/AIN2	方向控制信号（TTL电平）	AIN1=1、AIN2=0 → 正转；AIN1=0、AIN2=1 → 反转
PMA	PWM调速信号	单片机定时器输出PWM，占空比0%~100%
STANDBY	休眠控制	高电平（3.3V~5V）激活芯片，低电平待机（电机停转）

3. 控制逻辑示例（伪代码）

// 初始化单片机IO口与定时器（以STM32为例）  
void motor_init() {  
  GPIO_SetMode(AIN1, GPIO_OUTPUT);  // 方向控制引脚设为输出  
  GPIO_SetMode(AIN2, GPIO_OUTPUT);  
  TIM_PWM_Init(PMA_CHANNEL, 10000); // 初始化PWM，频率10kHz  
  GPIO_SetHigh(STANDBY);           // 激活芯片  
}  

// 正转，50%占空比  
void motor_forward() {  
  GPIO_SetHigh(AIN1);  
  GPIO_SetLow(AIN2);  
  TIM_SetDutyCycle(PMA_CHANNEL, 50); // 占空比50%  
}  

// 反转，30%占空比  
void motor_backward() {  
  GPIO_SetLow(AIN1);  
  GPIO_SetHigh(AIN2);  
  TIM_SetDutyCycle(PMA_CHANNEL, 30);  
}  

// 停止  
void motor_stop() {  
  GPIO_SetLow(AIN1);  
  GPIO_SetLow(AIN2);  
}