電動小車的電機(jī)驅(qū)動及控制

一個電動小車整體的運(yùn)行性能，首 先取決于它的電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。 電動小車的驅(qū)動系統(tǒng)一般由控制器、功率變換器及電動機(jī)三個主要部分組成。 電動小車的驅(qū)動不但要求電機(jī)驅(qū)動系統(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 現(xiàn)。本文即主要介紹這種直流電機(jī)的驅(qū) 動及控制。

1．H 型橋式驅(qū)動電路

直流電機(jī)驅(qū)動電路使用最廣泛的就 是H型全橋式電路，這種驅(qū)動電路可以 很方便實現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分 別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。 它的基本原理圖如圖1所示。
全橋式驅(qū)動電路的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，S3、 S4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實 現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng)S3、S4導(dǎo) 通時，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。

在小車動作的過程中，我們要不斷 地使電機(jī)在四個象限之間切換，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、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完全 互補(bǔ)，但是，由于實際的開關(guān)器件都存在 開通和關(guān)斷時間，絕對的互補(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。這個過程可用圖2說明。

因此，為了避免直通 短路且保證各個開關(guān)管動作之間的協(xié)同 性和同步性，兩組控制信號在理論上要 求互為倒相的邏輯關(guān)系，而實際上卻必須相差一個足夠的死區(qū)時間，這個矯正過程既可以通過硬件實現(xiàn)，即在上下橋 臂的兩組控制信號之間增加延時，也可 以通過軟件實現(xiàn)（具體方法參看后文）。
驅(qū)動電流不僅可以通過主開關(guān)管流通，而且還可以通過續(xù)流二極管流通。當(dāng)電機(jī)處于制動狀態(tài)時，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)就會發(fā)熱，嚴(yán)重時燒毀。
開關(guān)管的選擇對驅(qū)動電路的影響很大，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)斷時間應(yīng)盡可能?。?br/>(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，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)動芯片，如L298、LMD18200，性能比較穩(wěn)定可靠。
由于電機(jī)在正常工作時對電源的干擾很大，如果只用一組電源時會影響單片機(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，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)動電機(jī)電路，IOB8口為“0”，IOB9口輸入PWM波時，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，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。

圖4為采用內(nèi)部集成有兩個橋式電 路的專用芯片L298所組成的電機(jī)驅(qū)動電路。驅(qū)動芯片L298是驅(qū)動二相和四相步進(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)動直流電機(jī)，這種方法有一系列的優(yōu)點。每一組PWM波用來控制一個電機(jī)的速度，而另外兩個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，一個芯片內(nèi)包含有8個功率管，這樣簡化了電路的復(fù)雜性，如圖所示IOB10、IOB11控制第一個電機(jī)的方向，IOB8輸入的PWM控制第一個電機(jī)的速度；IOB12、IOB13控制第二個電機(jī)的方向，IOB9輸入的PWM控制第二個電機(jī)的速度。

LMD18200是美國國家半導(dǎo)體公司推出的專用于直流電動機(jī)驅(qū)動的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)的測量電路，只需要在LMD18200的8腳輸出端測出電壓和給定的電壓比較即可保護(hù)電路過流，從而實現(xiàn)電路的過流保護(hù)功能。由LMD18200組成的電機(jī)驅(qū)動電路如圖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)。此電路和以上幾種驅(qū)動電路比較具有明顯的優(yōu)點，驅(qū)動功率大，穩(wěn)定性好，實現(xiàn)方便，安全可靠。

2 ．P W M 控制

PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，通常 配合橋式驅(qū)動電路實現(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，則在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間為t，周期為T，波形如圖 6，則電機(jī)兩端的平均電壓為： U=VCCt/ T=αVcc ，其中，α=t/T稱為占空比，Vcc為電源電壓（電源電壓減去兩個開關(guān) 管的飽和壓降）。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例，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α＝1時，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大。
PWM控制波形的實現(xiàn)可以通過模擬 電路或數(shù)字電路實現(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調(diào)節(jié)，不能用于自動控制小車的調(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I/O口， 內(nèi)部設(shè)有2個獨(dú)立的計數(shù)器，完全可以模擬任意頻率、占空比隨意調(diào)節(jié)的PWM信號輸出，用以控制電機(jī)調(diào)速。
在實際制作過程中，我們認(rèn)為控制信號的頻率不需要太高，一般在400Hz以下為宜，占空比16級調(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 的時候應(yīng)該區(qū)別對待。若車速太快，則在 轉(zhuǎn)彎的時候，方向不易控制；而車速太慢，則很浪費(fèi)時間。這時圖6可以根據(jù)具體情況慢慢調(diào)節(jié)。在2003年“簡易智能電動車”的實際制作中，我們的小車驅(qū)動信號的占空比一般在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)動電路中，由于開關(guān)管有開通和關(guān)斷時間，因此存在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)重時燒毀開關(guān)管，同時也增加了開關(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)動電路時增加死區(qū)的方法。
死區(qū)時間的問題，只有在正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)的時候才存在，而在正轉(zhuǎn)啟動或反轉(zhuǎn)啟動的時候并沒有，因此不需要修正。如果開關(guān)管的開通和關(guān)斷時間非常小，或者在硬件電路中增加延時環(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。通過軟件實現(xiàn)死區(qū)時間，就是在突然換向的時候，插入一個延時的環(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)時間的流程圖，在開關(guān)管每次換向的時候，不立即進(jìn)行方向的切換，而是先使開關(guān)管關(guān)斷一段時間，使其完全關(guān)斷后再換向打開另外的開關(guān)管。這個關(guān)斷時間由 單片機(jī) 軟件延時實現(xiàn)。

4．總結(jié)

以上主要分析了電機(jī)的全橋式驅(qū)動電路，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)動方法大多與全橋式驅(qū)動一樣。PWM控制方法配合橋式驅(qū)動電路，是目前直流電機(jī)調(diào)速最普遍的方法。