【文章內容簡介】 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(xiàn)。這里 主要介紹這種直流電機的驅 動及控制 。 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 很方便實現(xiàn)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 所示。 全橋式驅動電路的 4 只開關管都工 作在斬波狀態(tài)， S S2 為一組， S 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 S S2導通時， S S4 關斷，電機兩端加正向電壓，可以實 現(xiàn)電機的正轉或反轉制動；當 S S4 導 通時， S S2 關斷，電機兩端為反向電 壓，電機反轉或正轉制動。 圖 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 S S2 導 通且 S S4關斷，到 S S2 關斷且 S 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 必南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 第 21 頁，共 50 頁 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 說明。 圖 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(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）。 驅動電流不僅可以通過主開關管流通，而且還可以通過續(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。 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 第 22 頁，共 50 頁 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 L29LMD18200，性能比較穩(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 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。 圖 圖 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IOB 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；IOB1 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。 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 第 23 頁，共 50 頁 圖 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(xiàn)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(xiàn)方便，安 全可靠。 圖 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 第 24 頁，共 50 頁 W M 控制 PWM（脈沖寬度調制）控制，通常 配合橋式驅動電路實現(xiàn)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 S S4 關斷， S 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 ，則電機兩端的 平均電壓為： U=Vcc t/ 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 管的飽和壓降）。 圖 電機的轉速與電機兩端的電壓成比例，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 α ＝ 1 時，電機轉速最大。 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節(jié)，不能用于自動控制小車的調 速。而目前使用的大多數(shù)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 ATMEL 公司的 AT89S51 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 個獨立的計數(shù)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，則南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 第 25 頁，共 50 頁 在 轉彎的時候，方向不易控制；而車速太慢，則很浪費時間。這時圖 6 可以根據(jù)具體情況慢慢調節(jié)。在 2021 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。 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(xiàn)在的許多集成驅動芯片內 部已經(jīng)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(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)，待開關管關斷之后，再開通應該開通的開關管。圖 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(xiàn)。 圖 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 第 26 頁，共 50 頁 小結 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。 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 第 27 頁，共 50 頁 第五章 單元電路的設計 黑帶檢測方案選擇 方案一：采用發(fā)光二極管發(fā)光，用光敏二極管接收。 當發(fā)光二極管發(fā)出的可見光照射到黑帶時，光線被黑帶吸收，光敏二極管為檢測到信號，呈高阻抗，使輸出端為 低電平。當發(fā)光二極管發(fā)出的可見光照射到地面時，它發(fā)出的可見光反射回來被光敏二極管檢測到，其阻抗迅速降低，此時輸出端為高電平。但是由于光敏二極管受環(huán)境中可見光影響較大，電路的穩(wěn)定性很差。 方案二：采用光敏電阻接受可見光檢測。 該電路采用 T性網(wǎng)絡，可避免使用太大的反饋電阻，并且便于提高輸入阻抗。六組光敏電阻用于檢測可見光信號。但光敏電阻檢測到黑帶時，輸出端為低電平，但用光是電路輸出端顯示為高電平，信號返回給單片機，通過單片機控制前輪的轉向。但由于需要正負電源，同時光敏電阻易受環(huán)境影響，穩(wěn)定性也很差。 圖 3 光敏電阻檢測黑帶 方案三：利用紅外線發(fā)射管發(fā)射紅外線，紅外線二極管進行接收。采用六組紅外光敏耦合三極管發(fā)射和接受紅外信號，外面可見光對接收信號的影響較小，再用射極輸出器對信號進行隔離。接收的紅外信號轉換為電壓信號經(jīng) LM339 進行比較，產(chǎn)生高電平或低電平返回給 AT89S51。 LM339 集成塊采用 C14型封裝，圖４為其外型及管腳排列圖。 LM339 類似于增益不可調的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用 “+” 表示，另一個稱為反相輸入端，用 “ ” 表示。用作比較兩個 電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇 LM339 輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 第 28 頁，共 50 頁 壓。當 “+” 端電壓高于 “ ” 端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當 “ ”端電壓高于 “+” 端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于 10mV 就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉換到另一種狀態(tài)，把 LM339 用在弱信號檢測等場合是比較理想的。 LM339 的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只上拉電阻。輸入信號 Uin，即待比 較電壓，它加到同相輸入端，在反相輸入端接一個參考電壓（門限電平） Ur。當輸入電壓 Uinamp。gtUr 時，輸出為高電平 UOH。 本方案經(jīng)濟實惠，易于實現(xiàn)，可靠性好，因此采用方案三。黑帶檢測電路圖如圖 所示。輸出信號進入 LM339。穩(wěn)定性能得到提升。當小車低部的某邊紅外線收發(fā)對管遇到黑帶時輸入電平為低電平，反之為高電平。結合中斷查詢方式，通過程序控制小車往哪個方向行走。 圖 LM339外型及管腳排列圖 傳感器選擇 實現(xiàn)機器人的視覺 和接近覺 功能有多種方式 ： 1）可 使用 CCD攝像頭進行圖象采集和識別方法，但是 不適用 在 小體積系統(tǒng)使用 ， 并 且還涉 及 圖象采集 、 圖象識別等領域 。 2）電容式接近傳感器，基于檢測對象表面靠近傳感元件時的電容變化。3）超聲波傳感器，根據(jù)波從發(fā)射到接收的傳播過程中所受到的影響來檢測物體的南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 第 29 頁，共 50 頁 接近程度。 4）紅外反射式光電傳感器，它包括一個可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個用作接收器的固態(tài)光敏二極 管（或光敏三極管）。 根據(jù)使用場合的具體情況，傳感器要感知的對象是物體的有無和物體的接近程度，與精確的測距系統(tǒng)有相似之處，但又有不同，只要求判斷出簡單的閾值或提供遠、近分檔的距離。因此使用較簡單的接近傳感器實現(xiàn)小車尋跡和避障是有依據(jù)可循的并且是可行的。 為了簡單起見， 系統(tǒng)中 使用 了八 個 紅外 反射式光電傳感器 ，其中三個用于尋跡，三個用于障礙判斷，兩個用于主動輪測速 。 自單片機問世以來，的確給人們的生產(chǎn)，生活帶來很大方便，現(xiàn)如今的智能化時代，由單片機派生出的各類程序控制器也應接不暇。為此，我采用微型可編程控制器 PROG110 設計并制作了此自尋跡程控車。該實驗車是基于閉環(huán)控制原理設計制作的，它能夠檢測并且跟蹤已有的軌跡（指白色亮線），達到自動尋跡目的。產(chǎn)品還具有音樂、閃光、訊響等多種功能，是集機械、電子、編程和娛樂于一體的智能玩具車模。