電動(dòng)小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制

1、電動(dòng)小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制一個(gè)電動(dòng)小車整體的運(yùn)行性能，首先取決于它的電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)小車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由控制器、功率變換器及電動(dòng)機(jī)三個(gè)主要部分組成。電動(dòng)小車的驅(qū)動(dòng)不但要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)矩重量比、寬調(diào)速范圍、高可靠性，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性受電源功率的影響，這就要求驅(qū)動(dòng)具有盡可能寬的高效率區(qū)。我們所使用的電機(jī)一般為直流電機(jī)，主要用到永磁直流電機(jī)、伺服電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)三種。直流電機(jī)的控制很簡單，性能出眾，直流電源也容易實(shí)現(xiàn)。本文即主要介紹這種直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及控制。1H型橋式驅(qū)動(dòng)電路    直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用最廣泛的就是H型全橋式電路，這種驅(qū)動(dòng)電路可以

2、很方便實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)。它的基本原理圖如圖1所示。     全橋式驅(qū)動(dòng)電路的4只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，S1、S2為一組，S3、S4為另一組，兩組的狀態(tài)互補(bǔ)，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時(shí)，S3、S4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng)；當(dāng)S3、S4導(dǎo)通時(shí)，S1、S2關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)。    在小車動(dòng)作的過程中，我們要不斷地使電機(jī)在四個(gè)象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在S1、S2導(dǎo)通且S3、S4關(guān)斷，到S1

3、、S2關(guān)斷且S3、S4導(dǎo)通，這兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。在這種情況下，理論上要求兩組控制信號(hào)完全互補(bǔ)，但是，由于實(shí)際的開關(guān)器件都存在開通和關(guān)斷時(shí)間，絕對(duì)的互補(bǔ)控制邏輯必然導(dǎo)致上下橋臂直通短路，比如在上橋臂關(guān)斷的過程中，下橋臂導(dǎo)通了。這個(gè)過程可用圖2說明。因此，為了避免直通短路且保證各個(gè)開關(guān)管動(dòng)作之間的協(xié)同性和同步性，兩組控制信號(hào)在理論上要求互為倒相的邏輯關(guān)系，而實(shí)際上卻必須相差一個(gè)足夠的死區(qū)時(shí)間，這個(gè)矯正過程既可以通過硬件實(shí)現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號(hào)之間增加延時(shí)，也可以通過軟件實(shí)現(xiàn)（具體方法參看后文）。     驅(qū)動(dòng)電流不僅可以通過主開關(guān)管流通，而且還可以通

4、過續(xù)流二極管流通。當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)便工作在發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流必須通過續(xù)流二極管流通，否則電機(jī)就會(huì)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)燒毀。    開關(guān)管的選擇對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的影響很大，開關(guān)管的選擇宜遵循以下原則：(1)由于驅(qū)動(dòng)電路是功率輸出，要求開關(guān)管輸出功率較大；(2)開關(guān)管的開通和關(guān)斷時(shí)間應(yīng)盡可能?。?3)小車使用的電源電壓不高，因此，開關(guān)管的飽和壓降應(yīng)該盡量低。    在實(shí)際制作中，我們選用大功率達(dá)林頓管TIP122或場效應(yīng)管IRF530，效果都還不錯(cuò)，為了使電路簡化，建議使用集成有橋式電路的電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，如L298、LMD18200，性能比

5、較穩(wěn)定可靠。    由于電機(jī)在正常工作時(shí)對(duì)電源的干擾很大，如果只用一組電源時(shí)會(huì)影響單片機(jī)的正常工作，所以我們選用雙電源供電。一組5V給單片機(jī)和控制電路供電，另外一組9V給電機(jī)供電。在控制部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分之間用光耦隔開，以免影響控制部分電源的品質(zhì)，并在達(dá)林頓管的基極加三極管驅(qū)動(dòng)，可以給達(dá)林頓管提供足夠大的基極電流。圖3所示為采用TIP122的驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路，IOB8口為“0”，IOB9口輸入PWM波時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過改變PWM 的占空比可以調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。而當(dāng)IOB9口為“0”，IOB8口輸入PWM波時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，同樣通過改變PWM的占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。

6、0;    圖4為采用內(nèi)部集成有兩個(gè)橋式電路的專用芯片L298所組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)芯片L298是驅(qū)動(dòng)二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用芯片，我們利用它內(nèi)部的橋式電路來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，這種方法有一系列的優(yōu)點(diǎn)。每一組PWM波用來控制一個(gè)電機(jī)的速度，而另外兩個(gè)I/O口可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制比較簡單，電路也很簡單，一個(gè)芯片內(nèi)包含有8個(gè)功率管，這樣簡化了電路的復(fù)雜性，如圖所示IOB10、IOB11控制第一個(gè)電機(jī)的方向，IOB8 輸入的PWM 控制第一個(gè)電機(jī)的速度；IOB12、IOB13控制第二個(gè)電機(jī)的方向，IOB9輸入的PWM控制第二個(gè)電機(jī)的速度。  &#

7、160;  LMD18200是美國國家半導(dǎo)體公司推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋組件，同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件。此種芯片瞬間驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)6A，正常工作電流可達(dá)3A，具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，無“shot-through”電流，而且此種芯片內(nèi)部還具有過流保護(hù)的測(cè)量電路，只需要在LMD18200的8腳輸出端測(cè)出電壓和給定的電壓比較即可保護(hù)電路過流，從而實(shí)現(xiàn)電路的過流保護(hù)功能。由LMD18200組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5 所示。LMD18200 的5 腳為PWM 波輸入端，通過改變PWM 的占空比就可調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，改變3腳的高低電平即可控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。此電路和以上幾種

8、驅(qū)動(dòng)電路比較具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率大，穩(wěn)定性好，實(shí)現(xiàn)方便，安全可靠。 2 PWM 控制    PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，通常配合橋式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，非常簡單，且調(diào)速范圍大，它的原理就是直流斬波原理。如圖1所示，若S3、S4關(guān)斷，S1、S2受PWM控制，假設(shè)高電平導(dǎo)通，忽略開關(guān)管損耗，則在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間為t，周期為T，波形如圖6，則電機(jī)兩端的平均電壓為： U=Vcc t/T=Vcc ，其中，=t/T稱為占空比，Vcc為電源電壓（電源電壓減去兩個(gè)開關(guān)管的飽和壓降）。     電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電

9、壓成比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占空比1時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大。PWM控制波形的實(shí)現(xiàn)可以通過模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，例如用555搭成的觸發(fā)電路，但是，這種電路的占空比不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，不能用于自動(dòng)控制小車的調(diào)速。而目前使用的大多數(shù)單片機(jī)都可以直接輸出這種PWM波形，或通過時(shí)序模擬輸出，最適合小車的調(diào)速。我們使用的是凌陽公司的SPCE061 單片機(jī)，它是16位單片機(jī)，頻率最高達(dá)到49MHz，可提供2 路PWM 直接輸出，頻率可調(diào)，占空比16級(jí)可調(diào)，控制電機(jī)的調(diào)速范圍大，使用方便。SPCE061單片機(jī)有32個(gè)I/O口，內(nèi)部設(shè)有2個(gè)

10、獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，完全可以模擬任意頻率、占空比隨意調(diào)節(jié)的PWM信號(hào)輸出，用以控制電機(jī)調(diào)速。在實(shí)際制作過程中，我們認(rèn)為控制信號(hào)的頻率不需要太高，一般在400Hz以下為宜，占空比16級(jí)調(diào)節(jié)也完全可以滿足調(diào)速要求，并且在小車行進(jìn)的過程中，占空比不應(yīng)該太高，在直線前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎的時(shí)候應(yīng)該區(qū)別對(duì)待。若車速太快，則在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，方向不易控制；而車速太慢，則很浪費(fèi)時(shí)間。這時(shí)可以根據(jù)具體情況慢慢調(diào)節(jié)。在2003年“簡易智能電動(dòng)車”的實(shí)際制作中，我們的小車驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比一般在8/16以下。3通過軟件避免直通短路    從前面的分析可知，橋式驅(qū)動(dòng)電路中，由于開關(guān)管有開通和關(guān)斷時(shí)間，因此存在

11、上下橋臂直通短路的問題。直通短路的存在，容易使開關(guān)管發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)燒毀開關(guān)管，同時(shí)也增加了開關(guān)管的能量損耗，浪費(fèi)了小車寶貴的能量。由于現(xiàn)在的許多集成驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部已經(jīng)內(nèi)置了死區(qū)保護(hù)（如LMD18200），這里主要介紹的是利用開關(guān)管等分立元件以及沒有死區(qū)保護(hù)的集成芯片制作驅(qū)動(dòng)電路時(shí)增加死區(qū)的方法。    死區(qū)時(shí)間的問題，只有在正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)的時(shí)候才存在，而在正轉(zhuǎn)啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)啟動(dòng)的時(shí)候并沒有，因此不需要修正。如果開關(guān)管的開通和關(guān)斷時(shí)間非常小，或者在硬件電路中增加延時(shí)環(huán)節(jié)，都可以降低開關(guān)管的損耗和發(fā)熱。當(dāng)然，通過軟件避免直通短路是最好的辦法，它的操作簡單，控制靈活。通過軟件實(shí)現(xiàn)

12、死區(qū)時(shí)間，就是在突然換向的時(shí)候，插入一個(gè)延時(shí)的環(huán)節(jié)，待開關(guān)管關(guān)斷之后，再開通應(yīng)該開通的開關(guān)管。圖7為利用軟件修正死區(qū)時(shí)間的流程圖，在開關(guān)管每次換向的時(shí)候，不立即進(jìn)行方向的切換，而是先使開關(guān)管關(guān)斷一段時(shí)間，使其完全關(guān)斷后再換向打開另外的開關(guān)管。這個(gè)關(guān)斷時(shí)間由單片機(jī)軟件延時(shí)實(shí)現(xiàn)。 4總結(jié)    以上主要分析了電機(jī)的全橋式驅(qū)動(dòng)電路，這是直流電機(jī)調(diào)速使用最多的調(diào)速方法。目前市場上有很多種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的集成電路，效率高，電路簡單，使用也比較廣泛，但是其驅(qū)動(dòng)方法大多與全橋式驅(qū)動(dòng)一樣。PWM控制方法配合橋式驅(qū)動(dòng)電路，是目前直流電機(jī)調(diào)速最普遍的方法。XX大 學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)

13、)任務(wù)書院(系) 專業(yè)( 本 科) 05 級(jí) 9 班課題名稱： 電動(dòng)小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))起止時(shí)間：2010年3月23日 6月12日(共 12 周)任務(wù)下達(dá)日期：2010 年 01 月05 日學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)： 同組學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師： ( 職稱講師)注：1、此任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫，任務(wù)下達(dá)人為指導(dǎo)教師，指導(dǎo)教師和接受任務(wù)的學(xué)生均應(yīng)簽字。2、此任務(wù)書最遲必須在學(xué)生畢業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)開始前一周下達(dá)給學(xué)生。課題的內(nèi)容一個(gè)電動(dòng)小車整體的運(yùn)行性能，首先取決于它的電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 電動(dòng)小車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由控制器、功率變換器及電動(dòng)機(jī)三個(gè)主要部分組成。 現(xiàn)在要求用分立元器件(MOS管)組成

14、電動(dòng)小車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并且要求用單片機(jī)系統(tǒng)來控制小車的運(yùn)行，使其能夠完成正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)等動(dòng)作。給出完整的設(shè)計(jì)方案、注意事項(xiàng)，并利用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的或者自備的)，完成系統(tǒng)的基本演示。使用的單片機(jī)系統(tǒng)可以自行決定。課題任務(wù)的具體要求需要對(duì)電動(dòng)機(jī)控制的原理(一般都是采用H型全橋式電路)進(jìn)行介紹，并說明設(shè)計(jì)的過程，給出系統(tǒng)的電路圖、元器件的選用以及與單片機(jī)的接口部分等設(shè)計(jì)說明。要求能夠給出所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)量精度及性能指標(biāo)。需要以實(shí)際的測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正確性及準(zhǔn)確性。需要對(duì)系統(tǒng)使用中易出現(xiàn)的問題進(jìn)行說明。系統(tǒng)的軟件采用C語言進(jìn)行編寫。分析自己所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要作哪些方面的改進(jìn)和完善，才可以更好地發(fā)揮作用。在系統(tǒng)的程序軟件設(shè)計(jì)說明中還應(yīng)當(dāng)描述出程序的編譯環(huán)境配置，可執(zhí)行代碼的運(yùn)行環(huán)境要求說明。主要參考文獻(xiàn)(指導(dǎo)教師選定部分)1、沙占友等單