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电机驱动芯片——DRV8833、TB6612、A4950、L298N的详解与比较_drv8833原理图

作者：从前慢现在也慢 | 2024-05-20 22:32:29

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drv8833原理图

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一.全H桥电路基础知识

1.原理图（以全NMOS管为例）

在这里插入图片描述
从上图可看出，此电机驱动电路由4个NMOS管构成，形如H型，故名全H桥电路。通过控制4个MOS管的导通与截止达到对中间电机的不同控制效果。NMOS管的栅极为高电平时导通，低电平时截止。

2.H桥工作模式

正转模式

当Q1、Q4的栅极为高电平，Q2、Q3为低电平时，Q1，Q4导通，如下图所示，电机正向旋转。
在这里插入图片描述

反转模式

当Q2、Q3的栅极为高电平，Q1、Q4为低电平时，Q2，Q3导通，如下图所示，电机反向旋转。
在这里插入图片描述

电流衰减模式

可打开下面两篇文章详细了解。
慢速，混合和快速衰减模式
 步进驱动器中的电流衰减

1.此处我也进行大致讲解：
所谓衰减模式，可简单理解为如何使电机停下：如果控制电机一直向一个方向旋转不会产生问题。但是如果这是想让电机停下，那么问题就来了。由于电机是感性负载，电流不能突变。在断开电机两端所加的电压时，电机产生的反向电动势很有可能损坏FET。因此想让电机停下，除了断开供电，还要形成一个续流的回路，释放掉电机上的能量。

2.驱动和衰减模式图：（来源于数据手册）
在这里插入图片描述
图中添上了FET的寄生二极管。

以左侧正向旋转的图为例：
1.首先电机正向旋转，电流流向如①线所示；
2.如果此时采取滑动/快衰减模式：四个MOSFET关断，电机上的电流会通过Q2和Q3的寄生二极管继续流动，如②线所示。可发现，此时电流的流向是与电源电压相反的，因此电流衰减很快，当电流衰减为0时，由于FET是关断的，电源电压不会加在电机上，电机会逐渐停下。
3.如果采取制动/慢衰减模式：Q2、Q4导通，Q1、Q3关断。电机上的电流通过Q2和Q4继续流动，如③线所示，电机上的能量会逐渐消耗在电机本身和Q2、Q3上，这样的电流衰减相对较慢。

★ ★ ★ 有一点需要特别注意：快慢衰减指的是电流，而不是电机转动的速度。 ★ ★ ★

控制直流电机时，在快衰减模式下，由于电流迅速下降，那么电感电机上储存的能量就会释放很慢(简单理解E=I^2R),电机会逐渐停止，因此该模式又叫滑动；
而在慢衰减模式下，电机的两端类似于短接，电流很大且衰减慢，储存的能量被瞬间释放，此时电机会瞬间停止，因此该模式又叫制动。

下面这篇文章很好地对其进行了解释：
The Difference Between Slow Decay Mode and Fast Decay Mode in H-Bridge DC Motor Applications

3.补充

★H桥中绝对不能出现同侧（左侧/右侧）的FET同时导通的情况，因为这样会导致电流不经过电机直接到地，形成短路！因此在状态切换时需要一步一步来，而集成H桥的芯片一般会在内部自动解决这个问题（利用死区控制），如下图所示：在正转和制动之间切换时，会有一个过渡状态（OFF）。
在这里插入图片描述
★此处还需补充一个知识：MOS管的高端与低端驱动。简单来说，高端驱动即MOS管在负载的高电位一端；相反低端驱动即MOS管在负载的低电位一端。如上图所示：Q1、Q3为高端驱动，Q2、Q4为低端驱动。在H桥中也常常被称为上臂和下臂。

★此外，如果对MOS管原理有所了解，则可看出，打开高端NMOS所需的栅极电压会比打开低端NMOS所需的栅极电压大很多(要高于驱动电源电压）。(因为开启需要条件Vgs>Vth，而高端MOS导通后的源极电位较高，几乎接近电源电压，此时如果栅极电压仍为电源电压，则又关断)

★驱动电压越大，转速越快；电流越大，扭矩越大；

★当扭矩<负载时，电机转速会下降，电流上升从而增大扭矩。当负载非常大，电机带不动从而停止转动时（堵转），电流达到最大值，此时需特别注意，很有可能烧坏电机驱动。

二.DRV8833芯片介绍

1.基本介绍

在这里插入图片描述
该芯片接线和控制都较为简单，初学可从此芯片模块入手。

由于驱动直流电机需要的电流很大，单片机I/O的驱动能力是远远达不到的。因此需要使用专用的电机驱动芯片。此款电机驱动芯片即是基于上述的H桥电路。芯片中共有两个全H桥。因此最多可以同时驱动两个直流电机或一个步进电机。(对于步进电机的驱动在我的另外一篇文章进行了详细介绍）

★电源供电电压2.7~10.8V，每个H桥输出的均方根（RMS）电流为1.5A，峰值可达2A。
★内置过热保护和用户可调的限流保护电路。

2.引脚功能

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引脚名称	引脚标号	I/O	功能	引脚名称	引脚标号	I/O	功能
nSLEEP	1	I	睡眠模式控制，高电平使能芯片，低电平进入睡眠模式(关闭芯片)	BIN1	9	I	H桥B的逻辑输入1脚
AOUT1	2	O	H桥A的输出1脚	BIN2	10	I	H桥B的逻辑输入2脚
AISEN	3	O	H桥A的电流控制，可通过一个电阻接地限制电流(不限电流时直接接地），详见后面介绍	VCP	11	IO	用于高端FET栅极驱动电压，需要一个10nF,耐压16V的陶瓷电容接到VM脚
AOUT2	4	O	H桥A的输出2脚	VM	12	–	电机电源供应2.7V-10.8V，需要一个10uF的滤波电容接地
BOUT2	5	O	H桥B的输出2脚	GND	13	–	器件接地脚
BISEN	6	O	H桥B的电流控制，可通过一个电阻接地限制电流(不限电流时直接接地），详见后面介绍	VINT	14	–	芯片内部稳压器的输出(3.3V)，需要一个2.2uF,耐压6.3V的滤波电容接地
BOUT1	7	O	H桥B的输出1脚	AIN2	15	I	H桥A的逻辑输入2脚
nFAULT	8	OD	当温度过高或通过电流过大时会输出低电平进行提示	AIN1	16	I	H桥A的逻辑输入1脚

★由于MOS管导通后会产生一定的饱和压降(Vsat，不同芯片有较大差异，具体看手册)，因此在选择驱动电压VM时，可以接近或比所用电机额定电压稍高。
★芯片逻辑电压VINT的选择要根据所用单片机的逻辑电平决定。如果单片机是5V逻辑电平，则VINT同样选择5V输入。

3.功能框图

在这里插入图片描述
框图中也包含了芯片外部所需要的元件，主要是三个电容以及两个电流检测电阻（电阻可不接）。
当温度过高，温度检测保护模块会使nFAULT所接的FET导通拉到低电平,同时H桥转成衰减模式，不再给电机供电。

4.结构详细介绍

在这里插入图片描述
1. 通过xIN1和xIN2给出四种逻辑组合“00”、“01”、“10”、“11”，然后通过中间的逻辑控制转换电路令相应的FET导通或截止，从而对应产生四种输出效果。（需注意：xIN1和xIN2并非直接控制H桥的栅极电压，只是给出所需功能对应的逻辑组合信号）

2.xISEN脚接电阻用于限制通过的电流。整理一下即如下图所示。
当电机转动时，电流流过电阻，在xISEN处产生电压（即将电流转成电压进行检测）。然后与200mV的参考电压比较，如果大于200mV，则比较器输出低电平，同样使nFAULT拉低，H桥转成衰减模式，不再给电机供电。
如果不需要限流，则xISEN脚直接接地即可。
在这里插入图片描述
限流电阻大小的选择：

在这里插入图片描述

$R_{X I S E N} = \frac{2 0 0 m V}{I _{C H O P}}, 其中 R_{X I S E N} 为所需的电阻值， I_{C H O P} 为设定的限流值。$

5.逻辑控制

下表为最基础逻辑控制表：
在这里插入图片描述
借助此表便可对直流电机进行简单的驱动与制动（此时电机工作于全速状态，无速度控制）。
把xIN1和xIN2分别接到单片机I/O口，xOUT1和xOUT2接到直流电机两端。
当控制xIN1为1，xIN2为0时，电机便正转。

★再进一步便可借助PWM对电机转速进行控制，如下表所示：
在这里插入图片描述
以xIN1为PWM，xIN2为0为例，电机在正向转动模式与快衰减模式之间不断切换。
波形图类似如下：前面提到，电压的大小决定直流电机转速。从第三个图V12=Vout1-Vout2可看出，加在电机两端的电压变化随着PWM变化，则其平均值Vave=D*Vcc（D为PWM占空比，VCC为驱动电压）也随着占空比的增大而增大，从而速度也相应增加；反之则降低。

PWM的频率一般选在5k~20kHz。
在这里插入图片描述

把上表归纳总结一下：
1.当xIN中有一个恒为低电平，另一个为PWM时:采取正反转与滑动/快衰减，占空比越大，转速越快。
2.当xIN中有一个恒为高电平，另一个为PWM时:采取正反转与制动/慢衰减，占空比越小，转速越快。

PWM调速模式下快慢衰减的选择：
★配合慢衰减调速时，当转速较低会产生抖动；而配合快衰减调速会更平滑一些。
★配合快衰减调速相比慢衰减调速，速度会更快，但扭矩会更小。

6.另外一种DRV8833CPWP型号的区别

在这里插入图片描述
★如上图所示：此芯片在结构上唯一不同之处在于，H桥的高端驱动变成了两个PMOS管，低端驱动同样为两个NMOS管。
★由于PMOS管是栅极为低电平时导通，因此不像前一个芯片需要极大的高端驱动NMOS栅极电压。该芯片也因此无VINT引脚（该脚位空脚）。
★在性能上，此芯片相当于低电流版本：输出RMS电流只能0.7A，峰值电流1A。