H-мост

Синяя линия заканчивается на условном узле логики моста и не изображает разводку отдельных затворов. Цвет показывает выбранное состояние: оранжево-мятная диагональ проводит, бледная диагональ неактивна; форма ключей здесь условная.

У коллекторного двигателя два электрических вывода. Если ток идёт через обмотку в одном направлении, вал вращается в одну сторону. Если поменять полярность на выводах, направление момента изменится. Переставлять провода вручную робот не может, поэтому драйвер делает это четырьмя электронными ключами, соединёнными в схему, похожую на букву H.

Коротко

H-мост ставит мотор между средними точками двух полумостов. Одна диагональ ключей направляет ток через мотор слева направо, другая - справа налево. Ключи одного плеча нельзя одновременно замыкать: это создаёт почти прямое короткое замыкание питания.

Зачем это нужно

Робот на двух ведущих колёсах поворачивает, когда моторы получают разные команды. Для движения назад оба мотора должны изменить направление. Манипулятору реверс нужен, чтобы открывать и закрывать захват, а линейному приводу - выдвигаться и возвращаться.

Один транзистор позволяет включить мотор только с заранее заданной полярностью. Реле с перекидными контактами тоже может менять полярность, но электронный мост переключается без механических контактов и поддерживает быструю модуляцию, если это допускает драйвер. H-мост становится силовым переводчиком между командами вперёд, назад, остановка и электрическими путями тока.

Примеры устройств

H-мост может быть учебным модулем, компактной carrier board или частью более крупной платы. На фотографии платы выглядят похоже, но внутри у них разная силовая архитектура, допустимый ток и таблица входов.

Устройство	Где встречается	Что важно проверить
L298N-модуль	первые опыты с реверсом DC-мотора	падение напряжения, нагрев, радиатор и допустимый ток конкретной платы
TB6612FNG	небольшие мобильные роботы	входы направления, PWM, STBY и диапазоны логического/моторного питания
DRV8833	компактные двухмоторные модели	режимы управления, защита, рабочее напряжение и локальные конденсаторы
VNH5019	один более мощный коллекторный привод	тепловой режим, токовые пики и способ охлаждения
DRV8838	один небольшой мотор	логика входов, режим сна и реальный запас по току

Дальше H-мост рассматривается как схема из четырёх ключей. Это помогает читать таблицы состояний у конкретных плат из примеров, а не переносить команды с одного модуля на другой автоматически.

Главная идея

В абстрактном H-мосте есть четыре ключа:

           питание
          /       \
       S1           S2
        |--- мотор ---|
       S3           S4
          \       /
            GND

S1 и S3 образуют левое плечо, S2 и S4 - правое. Мотор соединён не с землёй и питанием напрямую, а между средними точками плеч.

• Замкнуты S1 и S4: ток идёт от питания через мотор к земле в одном направлении.
• Замкнуты S2 и S3: ток проходит через мотор в противоположном направлении.
• Все ключи разомкнуты: выходы находятся в высокоимпедансном состоянии, а ток обмотки некоторое время затухает по предусмотренным путям.
• Замкнуты оба нижних или оба верхних ключа: выводы мотора соединены с одной шиной; это один из способов электрического торможения, но точное поведение зависит от драйвера и режима распада тока.

Ключевые слова здесь - диагональ и плечо. Рабочее направление задаёт диагональ, а опасная комбинация возникает внутри одного плеча.

Четыре ключа и два вывода мотора

На рисунке силовые линии должны заканчиваться на реальных узлах: два верхних ключа связаны с положительной шиной, два нижних - с возвратной, а мотор имеет ровно две клеммы между серединами плеч. Управляющая логика не является ещё одной силовой ветвью: она лишь решает, какие ключи разрешить.

Состояние абстрактного моста	S1	S2	S3	S4	Результат
Направление A	1	0	0	1	ток через мотор слева направо
Направление B	0	1	1	0	ток через мотор справа налево
Свободный ход	0	0	0	0	все ключи выключены, ток затухает
Торможение нижними ключами	0	0	1	1	оба вывода мотора соединены с нижней шиной
Запрещено: левое плечо	1	0	1	0	сквозной ток от питания к GND
Запрещено: правое плечо	0	1	0	1	сквозной ток от питания к GND

Эта таблица описывает идеальные ключи, а не распиновку любой микросхемы. У готового драйвера могут быть входы IN1/IN2, PH/EN, отдельные входы полумостов или интерфейс по шине. Состояния 00 и 11 также могут означать разные способы остановки. Перед программированием нужна таблица состояний именно выбранного компонента.

Полумост

Полумост - верхний и нижний ключ одного плеча. Их средняя точка становится одним выходом H-моста. Два полумоста образуют полный мост для двухвыводной нагрузки.

Как мост меняет направление

Рассмотрим направление A. Верхний левый ключ соединяет левый вывод мотора с питанием, а нижний правый - правый вывод с землёй:

питание -> S1 -> левый вывод мотора -> правый вывод -> S4 -> GND

Для реверса сначала выключают текущую диагональ, затем включают другую:

питание -> S2 -> правый вывод мотора -> левый вывод -> S3 -> GND

Полярность напряжения на моторе меняется. Сразу после команды механическое вращение не обязано мгновенно развернуться: ротор и нагрузка имеют инерцию, а в обмотке сохраняется ток. Резкий реверс может дать большой тормозной и затем пусковой ток. Алгоритм робота должен учитывать механику, а силовая схема - получившуюся электрическую нагрузку.

Два полных моста слева показывают разные проводящие диагонали. Справа изображено только одно плечо во время мёртвого времени, а не третий полный мост: оба его ключа разомкнуты, поэтому путь между шинами прерван.

Что происходит во время переключения

Ток обмотки продолжает течь

Индуктивность мотора сопротивляется резкому изменению тока. Когда проводящая диагональ выключается, прежний ток ищет замкнутый путь. В MOSFET-мосте он может пройти через встроенные диоды транзисторов или через специально включённые ключи. Texas Instruments называет эти варианты асинхронным и синхронным распадом тока.

Из-за рециркуляции простая фраза «все ключи выключены - тока нет» неверна для самого момента переключения. Управление отключено, но запасённая магнитная энергия ещё перераспределяется. Конкретный путь зависит от текущего направления, режима coast или brake и внутренней логики драйвера.

Ключи выключаются не мгновенно

У реального транзистора есть время переключения. Если верхний ключ плеча ещё проводит, а нижний уже открылся, между силовым питанием и землёй возникает низкоомный путь почти в обход мотора. Это называется сквозным током, или shoot-through.

Чтобы не допустить перекрытия, между отключением одного ключа и включением другого вводят мёртвое время: короткий интервал, когда оба ключа плеча выключены. DRV8410, например, вставляет его автоматически. При самостоятельной сборке моста с независимыми MOSFET одного лишь правильного порядка команд в основном цикле может быть недостаточно - нужно проверить задержки драйвера затворов, ключей и таймера.

warning

Никогда не проверяй запрещённые комбинации на реальном мосте «на секунду». Сквозной ток ограничивается в основном сопротивлением ключей, проводников и источника и может повредить компоненты намного быстрее, чем человек успеет отключить питание.

Свободный ход и торможение - не одно и то же

При свободном ходе мост перестаёт прикладывать напряжение, а мотор вращается по инерции. Ток обмотки затухает по доступному пути. При электрическом торможении оба вывода мотора связываются с одной шиной или между собой через ключи. Вращающийся мотор действует как генератор; ток создаёт момент, мешающий движению.

Режим	Состояние выходов	Ощущение механизма	Что уточнить в документации
Drive	на выводах противоположные уровни	разгон или удержание направления	допустимый ток и потери ключей
Coast	оба выхода высокоимпедансные	более свободное замедление	путь быстрого распада тока
Brake	оба выхода соединены с одной шиной	более резкое замедление	режим медленного распада и ограничения
Sleep/Disable	силовая часть отключена	зависит от схемы и остаточного движения	время пробуждения и состояния выходов

Нельзя обещать одинаковую тормозную силу у разных модулей. Она зависит от скорости, сопротивления двигателя, сопротивления ключей, нагрузки и алгоритма. В учебном проекте режимы сравнивают измерением, а не только по названию.

От логической команды к состояниям моста

В программе удобно хранить не комбинации четырёх транзисторов, а безопасные команды высокого уровня:

FORWARD
REVERSE
COAST
BRAKE

Низкоуровневый слой переводит их во входы конкретного драйвера. Это уменьшает риск, что в разных местах программы появятся противоречивые сочетания. Перед сменой направления полезно применить заранее выбранную политику: сбросить PWM, перейти в безопасное состояние, выдержать требуемый интервал и только затем разрешить другую полярность. Точные задержки берут из документации и проверяют осциллографом для своей схемы.

У интегрального драйвера внутренние ключи обычно недоступны по отдельности. Это хорошо для начинающего: производитель может встроить взаимную блокировку, мёртвое время, ограничение тока и защиту от перегрева. Но слово «обычно» не заменяет чтение таблицы функций. Некоторые режимы дают разработчику независимое управление полумостами и требуют большей осторожности.

Пример: разворот мобильного робота

У робота левый и правый моторы подключены к двум независимым H-мостам. Из-за зеркальной установки одинаковое движение колёс вперёд может соответствовать разной электрической полярности на моторах. Поэтому сначала определяют не «единицы на входах», а физический результат каждого канала.

Последовательность настройки:

1. Поднять шасси, чтобы колёса не толкнули робота со стола.
2. Ограничить ток лабораторного источника или использовать штатную защиту стенда.
3. Подать малое воздействие на левый канал и записать физическое направление колеса.
4. Повторить для правого канала.
5. Создать функции leftForward() и rightForward(), скрывающие различие полярности.
6. Проверить команды движения вперёд, назад, разворота на месте и остановки.
7. Под нагрузкой измерить ток и температуру, особенно при частых реверсах.

Так механическая система остаётся симметричной для основной программы, хотя электрические состояния каналов могут быть зеркальными.

Что запомнить про H-мост

• Полный H-мост состоит из двух полумостов и четырёх силовых ключей.
• Мотор подключён между средними точками плеч и имеет два силовых вывода.
• Противоположные диагонали создают противоположные направления тока.
• Верхний и нижний ключ одного плеча нельзя включать одновременно.
• Между переключениями нужен интервал без перекрытия; в интегральном драйвере он может формироваться автоматически.
• После выключения ключей ток обмотки затухает не мгновенно.
• Coast, brake, таблицу входов и защиты проверяют по документации конкретного драйвера.

Практика

Задание 1. Восстанови пути

Нарисуйте H-мост с S1–S4, двумя шинами и мотором. Для каждого направления выдели одну проводящую диагональ и покажи стрелкой путь тока. Затем отметьте две запрещённые комбинации внутри плеч.

Задание 2. Прочитайте таблицу драйвера

Выберите реальный интегральный H-мост. По официальному datasheet составьте таблицу входы -> состояние выходов -> механический смысл. Отдельно выпишите, что происходит при sleep, fault и пропадании силового питания.

Задание 3. Спланируй реверс

Составьте алгоритм безопасной смены направления для привода с тяжёлым колесом. Укажите, когда уменьшается PWM, какое промежуточное состояние используется и какие величины нужно измерить на стенде.

Задание 4. Сравните остановки

Предложите опыт, который сравнит coast и brake без превышения допустимого тока. Определите одинаковые начальные условия и величину, по которой будешь сравнивать режимы.

Задание 5. Найдите ошибку по симптомам

Мост сильно греется даже без подключённого мотора при переключении направления. Составьте последовательность безопасной диагностики входных сигналов, мёртвого времени и возможного сквозного тока.

Проверьте себя

1. Почему схема называется H-мостом?
2. Где подключён мотор относительно двух полумостов?
3. Какие пары ключей задают два направления тока?
4. Какая комбинация создаёт сквозной ток в левом плече?
5. Зачем при смене состояния нужно мёртвое время?
6. Почему ток обмотки может продолжаться после выключения управляющей диагонали?
7. Чем свободный ход отличается от электрического торможения?
8. Почему таблицу IN1/IN2 нельзя переносить с одного драйвера на любой другой?

Ориентиры для самопроверки

Сначала ответьте без подсказки. Ответ можно считать полным, если вы:

• формулируете основную мысль своими словами;
• называете важные условия, ограничения или меры безопасности;
• для схемы, кода или расчёта показываете ход решения и ожидаемый результат.

Если один из пунктов объяснить не получается, найдите соответствующую главу статьи, перечитайте её и повторите ответ.

Словарь статьи

• H-мост - схема из двух полумостов, способная менять полярность на двухвыводной нагрузке.
• Полумост - пара верхнего и нижнего силовых ключей с общей средней точкой.
• Верхний ключ - ключ между положительной шиной питания и выходом плеча.
• Нижний ключ - ключ между выходом плеча и возвратной шиной.
• Диагональ моста - верхний ключ одного плеча и нижний ключ другого, создающие путь через мотор.
• Сквозной ток - опасный ток напрямую между шинами при одновременной проводимости ключей одного плеча.
• Мёртвое время - короткий интервал, когда оба ключа плеча выключены между переключениями.
• Высокоимпедансное состояние - состояние выхода, который почти не задаёт ток во внешнюю цепь.
• Coast - остановка управления со свободным замедлением механизма.
• Brake - электрическое торможение соединением выводов мотора с общей шиной или друг с другом через ключи.
• Распад тока - уменьшение сохранённого тока индуктивной нагрузки после смены состояния ключей.

Связанные темы

• Зачем нужен драйвер мотора - почему силовая цепь отделена от GPIO контроллера.
• PWM-управление - как мост чередует силовые состояния для регулирования воздействия.
• Драйверы коллекторных моторов - как сопоставить таблицу входов с реальным модулем.
• Защита и отладка силовой части - как измерять сигналы и искать перегрев силовых ключей.

Источники

• Texas Instruments: The H-bridge, Precision Labs
• Texas Instruments: DRV8410 Dual H-Bridge Motor Driver with Current Regulation Datasheet, раздел 8.4
• Texas Instruments: DRV8833 Dual H-Bridge Motor Driver Datasheet
• Texas Instruments: Understanding Motor Driver Current Ratings, Rev. A
• STMicroelectronics: L298 Dual Full-Bridge Driver Datasheet