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智能车竞赛中直流电机调速系统的设计与比较
摘 要：针对大学生智能车竞赛中直流电机的驱动设计了6种方案,经过实验比较分析了各种方案的优缺点,最后确立了一套驱动能力强、体积小、性能稳定的驱动方法，可广泛应用于40 V以下的大功率直流电机驱动的场合。
　　目前大电流直流电机多采用达林顿管或MOS管搭制H桥PWM脉宽调制，因此体积较大；另一方面，由于分立器件的特性不同，使得驱动器的特性具有一定的离散性；此外，由于功率管的开关电阻比较大，因此功耗也很大，需要功率的散热片，这无疑进一步加大了驱动器的体积。随着技术的迅猛发展，基于大功率MOS管的H桥驱动芯片逐渐显现出其不可替代的优势。但目前能提供较大电流输出的集成芯片不是很多。例如飞思卡尔半导体公司推出的全桥驱动芯片MC3、意法半导体公司推出的全桥驱动芯片VNH3SP30、英飞凌公司推出的高电流PN半桥驱动芯片BTS7960。ST微电子公司推出的TD340驱动器芯片是一种用于直流电机的控制器件,可用于驱动N沟道MOSFET管。
　　本文在第三、四届大学生智能车大赛中分别尝试了上面提到的5块电机驱动芯片设计的驱动电路，通过现场调试发现它们的优缺点，确定了驱动能力强、性能稳定的驱动方案，并得到了很好的应用。
1 直流电机驱动原理
　　目前直流电机的驱动方式主要有2种形式:线性驱动方式和开关驱动方式。其中线性驱动方式可以看成一个数控电压源。该驱动方式的优点是驱动电机的力矩纹波很小，可应用于对电机转速要求非常高的场合;缺点是该方式通常比较复杂，成本较高，尤其是要提高驱动的功率时，相应的电路成本将提升很多[1]。本文针对H桥驱动电路在智能车竞赛中的应用加以分析。
　　目前的H桥驱动主要有3种方式。图1(a)中H桥的4个桥臂都使用N沟道增强型MOS管;图1(b)中H桥的4个桥臂都使用P沟道增强型MOS管;图1(c)中上H桥臂分别使用P沟道增强型MOS管和N沟道增强MOS管。由于P沟道MOS管的品种少、价格较高，导通电阻和开关速度等都不如N沟道MOS管，因此最理想的情况应该是在H桥的4个桥臂都使用N沟道MOS管。但是在如图1(a)中可以看到，为了使电机正转，Q1和Q4应该导通，因此S4电压应该高于Q4的源极电压，S1电压应该高于Q1的源极电压，由于此时Q1的源极电压近似等于Vcc,因此就要求S1必须大于(Vcc+Vgs)。在很多电路中除非作一个升压电路否则是比较困难得到的，因此图1(a)这种连接方式比较少见。同理,图1(b)中为了使电机正转，S4电压就必须低于0V- VGS，在使用时也不方便。因此最常用的是图1(c)的电路，该电路结合了上述2种电路各自的优点，使用方便。本文针对3种形式电路进行设计，并进行实验比较分析。
2 驱动芯片的选择与比较
　　在设计H桥驱动电路时，关键要解决4个问题:(1) MOS管均高速驱动;(2)防止共态导通;(3)消除反向电动势;(4)PWM信号频率选择与光藕隔离。以下是4种方案设计比较：
2.1方案1: 采用1片33886驱动
　　MC33886为H桥式电源开关IC, 该IC结合内部控制的逻辑、电荷泵、栅极驱动器、以及RDS(ON)=120 mΩ MOSFET输出电路，可工作在5 V～40 V电压范围内。能够控制连续感性直流负载电流高达5.0 A，可以接受高达10 kHz的2路PWM信号来控制电机的转向和速度。具有短路保护、欠电压保护、过温保护等特点。其原理如图2所示。
　　该方法能够控制电机正反转和刹车，且使用方法灵活，但是内阻大导致压降大，开关频率限制在10 kHz，电机噪声大，使电机容易发热，驱动能力受限制，会拉低电源电压，容易导致控制器掉电产生复位。
2.2 方案2: 采用2、4片33886驱动
　　由于MC33886的导通电阻比较大，产生了较大的压降，使芯片容易发热，为了增强其驱动能力利用多块33886并联使用，如图3所示。
　　该接法降低了MOS管的导通内阻，增大了驱动电流，可以起到增强驱动能力、减小芯片发热的作用，但是起始频率受限，电机噪声大且发热严重。
2.3 方案3: 釆用2片VNH3SP30
　　(1)运动控制H桥组件VNH3SP30性能[2]
　　VNH3SP30是意法半导体公司生产的专用于电机驱动的大电流功率集成芯片，其原理框图如图4所示，芯片核心是一个双单片上桥臂驱动器(HSD)和2个下桥臂开关,HSD开关的设计采用ST的ViPowe技术，允许在一个芯片内集成一个功率场效应MOS管和智能信号/保护电路。下桥臂开关是采用ST专有的EHD(STripFET)工艺制造的纵向场效应MOS管。3个模块叠装在一个表面组装MultiPowerSO- 30引脚框架电绝缘封装内，具体性能指标如下: ①最大电流30 A、电源电压高达40 V; ②功率MOS管导通电阻0.034 Ω; ③5 V兼容的逻辑电平控制信号输入;④内含欠压、过压保护电路;⑤芯片过热报警输出和自动关断。
　　(2)驱动器电路设计与运行原理
　　①PWM信号调节方式
　　PWM(脉宽调制)信号是VNH3SP30最重要的控制信号，其最大工作频率为10 kHz.PWM信号通过控制H桥上的功率管的导通时间，从而实现对输出负载平均电流的调节。PWM信号的一个低电平状态将会关闭2个下桥臂开关，而当PWM输入端由低电平变为高电平时，下桥臂LSA和LSB导通与否取决于输入信号INA和INB，只有输入信号从低电平变为高电平时，下桥臂LSA和LSB才能重新导通。
　　②方向控制信号和桥臂使能信号
　　INA和INB为电机转向控制信号，控制电机的转向和刹车;ENA/DIAGA和ENB/DIAGB为桥臂使能信号，当这2个信号都为低电平时，H桥将不能导通。当驱动芯片过热、过压、欠压及过流时，ENA/DIAGA和ENB/DIAGB为故障诊断反馈信号，这2个信号返回一个低电平，同时H桥输出被封锁。
　　该方法较MC33886的一个显著优点就是芯片不会发热，且保护功能强大，但是存在开关频率限10 kHz，电机噪声大且电机容易发热，但芯片较贵，很多场合性价比不高。
2.4 方案4: 采用2片BTS7960
　　如图5所示，采用2个半桥智能功率驱动芯片BTS7960B组合成一个全桥驱动器，驱动直流电机转动。BTS7960B是应用于电机驱动的大电流半桥集成芯片，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。 P沟道高边开关省去了电荷泵的需求，因而减少了电磁干扰(EMI)。集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和超温、过压、欠压、过流及短路保护功能。BTS7960B的通态电阻典型值为16 mΩ，驱动电流可达43 A，调节SR引脚外接电阻的大小可以调节MOS管导通和关断时间，具有防电磁干扰功能。IS引脚是电流检测输出引脚。INH引脚为使能引脚，IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。当IN=1&&且INH=1时，高边MOSFET导通，输出高电平；当IN=0且INH=1时，低边MOSFET导通，输出低电平。通过对下桥臂开关管进行频率为25 kHz的脉宽调制(PWM)信号控制BTS7960B的开关动作，实现对电机的正反向PWM驱动、反接制动、能耗制动等控制状态。
　　这块芯片开头频率可以达到25 kHz，可以很好地解决前面提到的MC33886和VNH3SP30使电机噪声大和发热的问题，同时驱动能力有了明显的提高，响应速度快。但是，电机变速时会使电源电压下降10%左右，控制器等其他电路容易产生掉电危险，从而使整个电路系统瘫痪。
2.5 方案5：采用DT340和IRF3205
　　以TD340驱动器芯片为核心的直流电机PWM调速控制系统可以很好地驱动由低导通电阻IRF3205组成的H桥，大大简化硬件电路。该系统不仅可以模拟控制，而且具有计算机接口，同时具有良好的保护功能。
　　图6所示为可逆的PWM变换器主电路的H型结构形式。图中，4个MOSFET管的基极驱动电压分为2组，其中Q2L和Q1H为一组，当Q2L接收PWM信号导通时，Q1H常开，而Q2H和Q1L截止。这时，电机两端得到电压而旋转，而且占空比越大，转速越高。由于直流电机是1个感性负载，当MOS关断时，电机中的电流不能立即降到零，所以必须给这个电流提供一条释放通路，否则将产生高压破坏器件。处理这种情况的通常方法是在MOSFET竹旁边并联1个二极管，使电流流过二极管，最后通过欧姆耗散的方式在二极管中消失。对于大电流，耗散是重要的排放方法。这里必须使用高速二极管。电机反转时原理相同。
　　该方案基本上集合了前面4种方法的所有优点，初始频率高达25 kHz，且有微控制器的标准5 V电压输出，釆用的开关管IRF3205的导通内阻仅有8 mΩ，不需要高速光隔对MCU的PWM隔离电路，从面使整个电路简单化。
3&&实验结果与分析
　　经过对电路的选择和调试实验，本文重点论述的5种电路对比结果如表1、表2所示。
　　综上分析，每一种驱动方法都有优缺点，但是从综合因素考虑选择TD34和IRF305组成H桥对电机进行控制是最好的方法。
[1] 曾国强，葛良全.机器人比赛中直流电机驱动电路的设计[J].微计算机信息，-2):236-238.
[2] 侯清锋, 罗海波, 王洪福.基于VNH3SP30的大电流直流电机驱动器的设计[J].微计算机信息，-1):92-94.
[3] 伊永峰，杨勇，张立勋.TD340芯片在直流调速系统中的应用[J].国外电子元器件，-50.
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本帖最后由 ljj3166 于
16:16 编辑
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赶紧捡起来
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额定工作电压 12V 额定功率 30W
电池容量 2500mAh 工作噪音 ＜50dB
机器人中吸尘电机的吸入功率是衡量其优劣的重要参数，测得某吸尘电机的吸入功率与真空度、风量间的对应关系如表二．真空度指主机内部气压与外界的气压差．风量指单位时间内通过吸尘电机排出的空气体积．吸尘电机吸入功率与输入功率的比值叫做效率．
真空度（Pa） 400 450 500 550 600
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（1）机器人工作时，主机内部的气压　小于　（选填&大于&、&小于&或&等于&）大气压而产生吸力．若该机器人向障碍物垂直发射超声波，经过0.001s收到回波，则其发射超声波时与障碍物间的距离约为　17　cm．（设超声波在空气中的传播速度为340m/s）
（2）下列说法中错误的是　D　．
A．地面有静电时，轻小物体会吸附在地板上而不易清扫
B．采用凸凹材质的轮皮，可增大机器人与地面间的摩擦
C．机器人工作时发出的声音不会对人的听力造成损伤
D．当遇到玻璃门等透明障碍物时，使用红外线感应器效果较好
（3）该机器人正常工作时的电流为　2.5　A；充满电后至下一次自动充电前能够连续正常工作的最长时间为　48　min．
（4）由表二数据可知，当风量为0.015m3/s时，若吸尘电机的输入功率为25W，此时其效率为　33　%；上述风量下，10min内通过吸尘电机提出的空气质量为　11.7　kg．（取&空气=1.3kg/m3）
（5）光敏电阻是制作灰尘传感器的常用元件．图乙为某光敏电阻的控制电路，电源电压U0恒定，RG为光敏电阻，其阻值随空气透光程度的变化而变化，R0为定值电阻．当光敏电阻分别为6&O和18&O时，电压表的示数分别为6V和3V，则R0=　6　&O；为监测空气的透光程度，现将电压表表盘的相关刻度值转化为对应的总阻值（R0+RG），则转化后表盘上从左到右相邻两刻度线对应阻值的减小量将　减小　（选填&增大&、&不变&或&减小&）．
考点： 回声测距离的应用；欧姆定律的应用；电功率与电压、电流的关系．
专题： 声现象；欧姆定律；电能和电功率．
分析： （1）由流体压强与流速的关系：流速越大的位置压强越小；先根据s总=vt算出总路程，利用s=即可求出发射超声波时与障碍物间的距离；
（2）①静电现象，带电体具有吸引轻小物体的性质；
②增大摩擦的方法：增大压力和增大接触面的粗糙程度；
③声音的强弱等级用分贝来表示．0dB是人能听到的最微弱的声音；3040dB是较为理想的安静环境；70dB会干扰生活、影响工作；
长期生活在90dB以上的噪声环境中，听力会受到严重的影响；超过150dB的噪声环境，会使双耳完全失去听力；
④红外线的物理特性有：热作用强；穿透云雾的能力强；
（3）知道额定电压和额定功率，根据I=求出机器人正常工作时的电流；
先算出消耗的电池容量Q=Q1Q2，再利用t=求出连续正常工作的最长时间；
（4）由表格中数据可知，吸入功与于真空度和风量的关系，求出吸尘电机吸入功率，再根据&电机=&100%求出吸尘电机的效率；
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（5）根据串联电路电流相等的特点，利用欧姆定律I=列出光敏电阻在不同阻值的电流方程，联立即可解得定值电阻的阻值；
利用欧姆定律I=找出电压表示数与对应的总阻值（R0+RG）的关系，即可判断表盘上从左到右相邻两刻度线对应阻值的减小量．
解答： 解：（1）由流体压强与流速的关系：流速越大的位置压强越小，可知机器人在工作时，由于转动的扇叶处气体的流速大，压强小，
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s总=vt=340m/s&0.001s=0.34m，
则其发射超声波时与障碍物间的距离：
s===0.17m=17cm
（2）A．地面有静电时，由于带电体具有吸引轻小物体的性质，所以轻小物体会吸附在地板上而不易清扫，故A正确；
B．采用凸凹材质的轮皮，是为了在压力一定时，增大接触面的粗糙程度来增大机器人与地面间的摩擦，故B正确；
C．为了保护听力，应控制噪声不超过90dB，机器人工作时发出的声音小于50dB，所以不会对人的听力造成损伤，故C正确；
D．当遇到玻璃门等透明或半透明障碍物时，其将直接穿过而不产生任何回波，这样扫地机器人就无法感应到前方有障碍物，
于是也就无法做出减速的工作了，所以不能使用红外线感应器，使用超声波感应器较好故D错误．
（3）由P=IU得，
机器人正常工作时的电流I===2.5A．
充满电后的电池容量Q1=2500mAh，下一次自动充电前的电池容量Q2=&Q1=20%&2500mAh=500mAh，
消耗的电池容量Q=Q1Q2=2500mAh500mAh=2000mAh，
正常工作时的电流I=2.5A=2500mAh，
连续正常工作的最长时间t===0.8h=48min．
（4）由表格中数据可知，吸入功率等于真空度与风量的乘积，
当风量为0.015m3/s时，吸尘电机吸入功率P吸入=550Pa&0.015m3/s=8.25W，
&电机=&100%=&100%=33%．
当风量为0.015m3/s时，t=10min=600s，
通过吸尘电机提出的空气体积V=0.015m3/s&600s=9m3，
通过吸尘电机提出的空气质量m=&空气V=1.3kg/m3&9m3=11.7kg．
（5）由电路图可知，光敏电阻RG和定值电阻R0串联，电压表测定值电阻R0两端的电压，
当光敏电阻RG1=6&O时，电压表的示数U1=6V，光敏电阻两端的电压U=U0U1，
此时电路中的电流I1==，即=&①
当光敏电阻RG2=18&O时，电压表的示数U1=3V，光敏电阻两端的电压U&=U0U2，
此时电路中的电流I2==，即=&②
联立①②可解得：U0=12V，R0=6&O．
设电压表示数为U，此时电路中的电流I==，
即U=，电源电压U0恒定，R0为定值电阻，
由此可见，电压表的示数U与总阻值（R0+RG）成反比，则转化后表盘上从左到右相邻两刻度线对应阻值的减小量将减小．
故答案为：（1）小于；17；（2）D；（3）2.5；48；（4）33%；11.7；（5）6；减小．
点评： 本题涉及到力学、声学、光学、电学等物理知识较多，跨度大，综合性很强，有一定的难度，需要仔细分析判断．学生要熟练掌握电功率公式、电流的定义式、欧姆定律、效率公式的综合应用，理解电池容量的含义和效率公式的应用是关键．
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