電動小車的電機驅動及控制

1、電動小車的電機驅動及控制一個電動小車整體的運行性能，首先取決于它的電池系統(tǒng)和電機驅動系統(tǒng)。電動小車的驅動系統(tǒng)一般由控制器、功率變換器及電動機三個主要部分組成。電動小車的驅動不但要求電機驅動系統(tǒng)具有高轉矩重量比、寬調速范圍、高可靠性，而且電機的轉矩-轉速特性受電源功率的影響，這就要求驅動具有盡可能寬的高效率區(qū)。我們所使用的電機一般為直流電機，主要用到永磁直流電機、伺服電機及步進電機三種。直流電機的控制很簡單，性能出眾，直流電源也容易實現。本文即主要介紹這種直流電機的驅動及控制。1H型橋式驅動電路    直流電機驅動電路使用最廣泛的就是H型全橋式電路，這種驅動電路可以

2、很方便實現直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。它的基本原理圖如圖1所示。     全橋式驅動電路的4只開關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，一組導通則另一組必須關斷。當S1、S2導通時，S3、S4關斷，電機兩端加正向電壓，可以實現電機的正轉或反轉制動；當S3、S4導通時，S1、S2關斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉制動。    在小車動作的過程中，我們要不斷地使電機在四個象限之間切換，即在正轉和反轉之間切換，也就是在S1、S2導通且S3、S4關斷，到S1

3、、S2關斷且S3、S4導通，這兩種狀態(tài)之間轉換。在這種情況下，理論上要求兩組控制信號完全互補，但是，由于實際的開關器件都存在開通和關斷時間，絕對的互補控制邏輯必然導致上下橋臂直通短路，比如在上橋臂關斷的過程中，下橋臂導通了。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，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（具體方法參看后文）。     驅動電流不僅可以通過主開關管流通，而且還可以通

4、過續(xù)流二極管流通。當電機處于制動狀態(tài)時，電機便工作在發(fā)電狀態(tài)，轉子電流必須通過續(xù)流二極管流通，否則電機就會發(fā)熱，嚴重時燒毀。    開關管的選擇對驅動電路的影響很大，開關管的選擇宜遵循以下原則：(1)由于驅動電路是功率輸出，要求開關管輸出功率較大；(2)開關管的開通和關斷時間應盡可能??；(3)小車使用的電源電壓不高，因此，開關管的飽和壓降應該盡量低。    在實際制作中，我們選用大功率達林頓管TIP122或場效應管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專用驅動芯片，如L298、LMD18200，性能比

5、較穩(wěn)定可靠。    由于電機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的正常工作，所以我們選用雙電源供電。一組5V給單片機和控制電路供電，另外一組9V給電機供電。在控制部分和電機驅動部分之間用光耦隔開，以免影響控制部分電源的品質，并在達林頓管的基極加三極管驅動，可以給達林頓管提供足夠大的基極電流。圖3所示為采用TIP122的驅動電機電路，IOB8口為“0”，IOB9口輸入PWM波時，電機正轉，通過改變PWM 的占空比可以調節(jié)電機的速度。而當IOB9口為“0”，IOB8口輸入PWM波時，電機反轉，同樣通過改變PWM的占空比來調節(jié)電機的速度。

6、0;    圖4為采用內部集成有兩個橋式電路的專用芯片L298所組成的電機驅動電路。驅動芯片L298是驅動二相和四相步進電機的專用芯片，我們利用它內部的橋式電路來驅動直流電機，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的速度，而另外兩個I/O口可以控制電機的正反轉，控制比較簡單，電路也很簡單，一個芯片內包含有8個功率管，這樣簡化了電路的復雜性，如圖所示IOB10、IOB11控制第一個電機的方向，IOB8 輸入的PWM 控制第一個電機的速度；IOB12、IOB13控制第二個電機的方向，IOB9輸入的PWM控制第二個電機的速度。  &#

7、160;  LMD18200是美國國家半導體公司推出的專用于直流電動機驅動的H橋組件，同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件。此種芯片瞬間驅動電流可達6A，正常工作電流可達3A，具有很強的驅動能力，無“shot-through”電流，而且此種芯片內部還具有過流保護的測量電路，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電路過流，從而實現電路的過流保護功能。由LMD18200組成的電機驅動電路如圖5 所示。LMD18200 的5 腳為PWM 波輸入端，通過改變PWM 的占空比就可調節(jié)電機的速度，改變3腳的高低電平即可控制電機的正反轉。此電路和以上幾種

8、驅動電路比較具有明顯的優(yōu)點，驅動功率大，穩(wěn)定性好，實現方便，安全可靠。 2 PWM 控制    PWM（脈沖寬度調制）控制，通常配合橋式驅動電路實現直流電機調速，非常簡單，且調速范圍大，它的原理就是直流斬波原理。如圖1所示，若S3、S4關斷，S1、S2受PWM控制，假設高電平導通，忽略開關管損耗，則在一個周期內的導通時間為t，周期為T，波形如圖6，則電機兩端的平均電壓為： U=Vcc t/T=Vcc ，其中，=t/T稱為占空比，Vcc為電源電壓（電源電壓減去兩個開關管的飽和壓降）。     電機的轉速與電機兩端的電

9、壓成比例，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉得越快，當占空比1時，電機轉速最大。PWM控制波形的實現可以通過模擬電路或數字電路實現，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節(jié)，不能用于自動控制小車的調速。而目前使用的大多數單片機都可以直接輸出這種PWM波形，或通過時序模擬輸出，最適合小車的調速。我們使用的是凌陽公司的SPCE061 單片機，它是16位單片機，頻率最高達到49MHz，可提供2 路PWM 直接輸出，頻率可調，占空比16級可調，控制電機的調速范圍大，使用方便。SPCE061單片機有32個I/O口，內部設有2個

10、獨立的計數器，完全可以模擬任意頻率、占空比隨意調節(jié)的PWM信號輸出，用以控制電機調速。在實際制作過程中，我們認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級調節(jié)也完全可以滿足調速要求，并且在小車行進的過程中，占空比不應該太高，在直線前進和轉彎的時候應該區(qū)別對待。若車速太快，則在轉彎的時候，方向不易控制；而車速太慢，則很浪費時間。這時可以根據具體情況慢慢調節(jié)。在2003年“簡易智能電動車”的實際制作中，我們的小車驅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，橋式驅動電路中，由于開關管有開通和關斷時間，因此存在

11、上下橋臂直通短路的問題。直通短路的存在，容易使開關管發(fā)熱，嚴重時燒毀開關管，同時也增加了開關管的能量損耗，浪費了小車寶貴的能量。由于現在的許多集成驅動芯片內部已經內置了死區(qū)保護（如LMD18200），這里主要介紹的是利用開關管等分立元件以及沒有死區(qū)保護的集成芯片制作驅動電路時增加死區(qū)的方法。    死區(qū)時間的問題，只有在正轉變?yōu)榉崔D的時候才存在，而在正轉啟動或反轉啟動的時候并沒有，因此不需要修正。如果開關管的開通和關斷時間非常小，或者在硬件電路中增加延時環(huán)節(jié)，都可以降低開關管的損耗和發(fā)熱。當然，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

12、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)，待開關管關斷之后，再開通應該開通的開關管。圖7為利用軟件修正死區(qū)時間的流程圖，在開關管每次換向的時候，不立即進行方向的切換，而是先使開關管關斷一段時間，使其完全關斷后再換向打開另外的開關管。這個關斷時間由單片機軟件延時實現。 4總結    以上主要分析了電機的全橋式驅動電路，這是直流電機調速使用最多的調速方法。目前市場上有很多種電機驅動的集成電路，效率高，電路簡單，使用也比較廣泛，但是其驅動方法大多與全橋式驅動一樣。PWM控制方法配合橋式驅動電路，是目前直流電機調速最普遍的方法。XX大 學畢業(yè)論文(設計

13、)任務書院(系) 專業(yè)( 本 科) 05 級 9 班課題名稱： 電動小車的電機驅動及控制實現畢業(yè)論文(設計)起止時間：2010年3月23日 6月12日(共 12 周)任務下達日期：2010 年 01 月05 日學生姓名：學號： 同組學生姓名：指導教師： ( 職稱講師)注：1、此任務書由指導教師填寫，任務下達人為指導教師，指導教師和接受任務的學生均應簽字。2、此任務書最遲必須在學生畢業(yè)實踐環(huán)節(jié)開始前一周下達給學生。課題的內容一個電動小車整體的運行性能，首先取決于它的電池系統(tǒng)和電機驅動系統(tǒng)。 電動小車的驅動系統(tǒng)一般由控制器、功率變換器及電動機三個主要部分組成。 現在要求用分立元器件(MOS管)組成

14、電動小車的驅動系統(tǒng)，并且要求用單片機系統(tǒng)來控制小車的運行，使其能夠完成正轉、正轉制動、反轉、反轉制動等動作。給出完整的設計方案、注意事項，并利用單片機實驗系統(tǒng)(實驗室現有的或者自備的)，完成系統(tǒng)的基本演示。使用的單片機系統(tǒng)可以自行決定。課題任務的具體要求需要對電動機控制的原理(一般都是采用H型全橋式電路)進行介紹，并說明設計的過程，給出系統(tǒng)的電路圖、元器件的選用以及與單片機的接口部分等設計說明。要求能夠給出所設計系統(tǒng)的測量精度及性能指標。需要以實際的測量結果驗證設計系統(tǒng)的正確性及準確性。需要對系統(tǒng)使用中易出現的問題進行說明。系統(tǒng)的軟件采用C語言進行編寫。分析自己所設計的系統(tǒng)需要作哪些方面的改進和完善，才可以更好地發(fā)揮作用。在系統(tǒng)的程序軟件設計說明中還應當描述出程序的編譯環(huán)境配置，可執(zhí)行代碼的運行環(huán)境要求說明。主要參考文獻(指導教師選定部分)1、沙占友等單