一个电动小车整体的运行性能,首 先取决于它的电池系统和电机驱动系统。 电动小车的驱动系统一般由控制器、功率变换器及电动机三个主要部分组成。电动小车的驱动不但要求电机驱动系统 具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠 性,而且电机的转矩-转速特性受电源功率的影响,这就要求驱动具有尽可能宽 的高效率区。我们所使用的电机一般为 直流电机,主要用到永磁直流电机、伺服电机及步进电机三种。直流电机的控制 很简单,性能出众,直流电源也容易实 现。本文即主要介绍这种直流电机的驱动及控制。
1.H 型桥式驱动电路
直流电机驱动电路使用最广泛的就 是H型全桥式电路,这种驱动电路可以 很方便实现直流电机的四象限运行,分 别对应正转、正转制动、反转、反转制动。 它的基本原理图如图1所示。
全桥式驱动电路的4只开关管都工 作在斩波状态,S1、S2为一组,S3、S4
在小车动作的过程中,我们要不断 地使电机在四个象限之间切换,即在正 转和反转之间切换www.cechina.cn,也就是在S1、S2导通且S3、S4关断,到S1、S2关断且S3、 S4导通,这两种状态之间转换。在这种 情况下控制工程网版权所有,理论上要求两组控制信号完全互补,但是,由于实际的开关器件都存在 开通和关断时间,绝对的互补控制逻辑 必然导致上下桥臂直通短路,比如在上桥臂关断的过程中,下桥臂导通了。这个过程可用图2说明。
因此,为了避免直通 短路且保证各个开关管动作之间的协同 性和同步性,两组控制信号在理论上要求互为倒相的逻辑关系,而实际上却必须相差一个足够的死区时间,这个矫正过程既可以通过硬件实现,即在上下桥 臂的两组控制信号之间增加延时,也可以通过软件实现(具体方法参看后文)。
驱动电流不仅可以通过主开关管流通,而且还可以通过续流二极管流通。当电机处于制动状态时,电机便工作在发电状态,转子电流必须通过续流二极管流通,否则电机就会发热,严重时烧毁。
开关管的选择对驱动电路的影响很大,开关管的选择宜遵循以下原则:
(1)由于驱动电路是功率输出,要求开关管输出功率较大;
(2)开关管的开通 和关断时间应尽可能小;
(3)小车使用的电源电压不高,因此开关管的饱和压降应该尽量低。
在实际制作中,我们选用大功率达林顿管TIP122或场效应管IRF530,效果都还不错,为了使电路简化,建议使用集成有桥式电路的电机专用驱动芯片,如L298、LMD18200,性能比较稳定可靠。
由于电机在正常工作时对电源的干扰很大,如果只用一组电源时会影响单片机的正常工作,所以我们选用双电源供电。一组5V给单片机和控制电路供电,另外一组9V给电机供电。在控制部分和电机驱动部分之间用光耦隔开,以免影响控制部分电源的品质,并在达林顿管的基极加三极管驱动www.cechina.cn,可以给达林顿管提供足够大的基极电流。图3所示为采用TIP122的驱动电机电路,IOB8口为“0”,IOB9口输入PWM波时,电机正转,通过改变PWM的占空比可以调节电机的速度。而当IOB9口为“0”,IOB8口输入PWM 波时,电机反转,同样通过改变PWM的占空比来调节电机的速度。
图4为采用内部集成有两个桥式电路的专用芯片L298所组成的电机驱动电路。驱动芯片L298是驱动二相和四相步进电机的专用芯片,我们利用它内部的桥式电路来驱动直流电机,这种方法有一系列的优点。每一组PWM波用来控制一个电机的速度,而另外两个I/O口可以控制电机的正反转,控制比较简单,电路也很简单,一个芯片内包含有8个功率管,这样简化了电路的复杂性,如图所示IOB10、IOB11控制第一个电机的方向,IOB8输入的PWM控制第一个电机的速度;IOB12、IOB13控制第二个电机的方向,IOB9输入的PWM控制第二个电机的速度。
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