“恩智浦”杯智能汽车设计与实例教程最新章节_隋金雪著

2.2　电动机驱动电路设计

电动机的供电与上述电路单元供电有所不同，在智能汽车运行过程中，电动机的速度是根据传感器的反馈随时调整的。要实现电动机调速，像玩具四驱车那样用恒定电压对电动机进行供电无法实现。与舵机的工作原理类似，电动机的控制也是通过脉宽调制（PWM）信号实现的。主控单片机在接收并处理完成传感器传回的赛道信息后得出预期速度，通过脉宽调制（PWM）信号控制电动机的转速，从而实现调速。然而，单片机的输出信号电流非常小，根本不可能驱动电动机转动，所以需要一个专门的驱动模块来放大单片机输出的信号，并实现对电动机的驱动。这个驱动模块就是这一节要介绍的电动机驱动电路。

图2.2.1是一个典型的简单直流电动机调速驱动电路，功率管的选择由电动机的功率决定，其标称电流是电动机正常工作电流的3～5倍（电动机启动的时候存在较大的浪涌电流）。PWM信号的占空比决定电动机的转速，故电动机的调速可通过改变PWM信号的占空比来实现。使用此方案可以实现电动机的单向调速驱动，若要实现双向调速，就要使用H桥。H桥可以实现电动机的双向调速，即电动机可以正转也可以反转，并且都能通过控制信号来实现速度调整。本节重点介绍两种驱动方案，使用BTN7971的H全桥驱动方案和使用N-MOS管的H全桥驱动方案。

图2.2.1　简单直流电动机调速驱动电路

在智能汽车运行过程中，电动机与舵机的控制都是通过单片机产生的脉宽调制（PWM）信号来实现的。当前，脉宽调制（PWM）在控制环节被广泛使用。在介绍控制电路前，首先介绍一下脉宽调制的相关原理。

2.2.1　脉宽调制基本原理

PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。

PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，正是由于PWM控制技术在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术领域的重要地位。

1.基础理论

冲量相等而形状不同的窄脉冲（见图2.2.1）加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积；效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同，低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

2.面积等效原理

分别将如图2.2.2所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2.2.3（a）所示，其输出电流 i ( t )对不同窄脉冲时的响应波形如图2.2.3（b）所示。从波形可以看出，在 i ( t )的上升段， i ( t )的形状略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各 i ( t )响应波形的差异越小。如果周期性地施加上述脉冲，则 i ( t )响应波形也是周期性的，用傅里叶级数分解后可看出，各 i ( t )在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不同。

图2.2.2　形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

图2.2.3　冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

用一系列等幅、不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，把正弦半波 N 等分，看成 N 个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替正弦半波，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化，如图2.2.4所示。

图2.2.4　用PWM波代替正弦半波

SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化，且和正弦波等效的PWM波形。

若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。

3.相关概念

（1）占空比。占空比就是在输出的PWM中，高电平保持的时间与该PWM时钟周期的时间之比。如果一个PWM的频率是1000Hz，那么它的时钟周期就是1ms，就是1000μs，如果高电平出现的时间是200μs，那么低电平的时间肯定是800μs，那么占空比就是200:1000，也就是说PWM的占空比为1:5。

（2）分辨率。分辨率是指占空比最小能达到多少，例如，8位的PWM，理论上的分辨率就是1:255（单斜率）；16位的PWM，理论上的分辨率就是1:65535（单斜率）。

（3）频率。频率是这样的，例如，16位的PWM，它的理论分辨率为1:65535，要达到这个分辨率，T/C就必须从0计数到65535，如果计数从0计到80之后又从0开始计到80……，那么它的分辨率就是1:80，但是它变化快了，也就是说PWM的输出频率高了。

（4）双斜率/单斜率。假设一个PWM从0计数到80，之后又从0计数到80……这就是单斜率。假设一个PWM从0计数到80，之后又从80计数到0……这就是双斜率。

可见，双斜率的计数时间多了一倍，所以输出的PWM频率低了一半，但是分辨率却变为1:(80+80) ＝1:160，也就是提高了一倍。

假设PWM是单斜率，设定最高计数是80，再设定一个比较值是10，那么当T/C从0计数到10时（这时计数器还是一直向上计数，直到计数到设定值80为止），单片机就会根据设定控制某个I/O口在此时是输出1或0或端口取反，这就是PWM的最基本的原理。

2.2.2　H全桥的基本原理

了解脉宽调制之后再来了解一下H全桥驱动的基本原理。如图2.2.5所示，使用三极管搭建的H全桥可以很好地帮助初学者理解驱动原理。

图2.2.5　H全桥基本原理示意

如图2.2.5所示，电路中电动机的转动方向由I/O ₁ 和I/O ₂ 的电平来决定。

①当I/O ₁ 和I/O ₂ 为00时，VT1、VT2导通，VT3、VT4截止，加在电动机两端的电压差为0，电动机不转。

②当I/O ₁ 和I/O ₂ 为01时，VT1、VT4导通，VT2、VT3截止，电动机转动。

③当I/O ₁ 和I/O ₂ 为10时，VT1、VT4截止，VT2、VT3导通，电动机转动。

注：在情况②和情况③下，流经电动机上的电流方向相反，电动机转动方向也相反。

④当I/O ₁ 和I/O ₂ 为11时，VT1、VT2截止，VT3、VT4导通，加在电动机两端的电压差为0，电动机不转动。

基于上述原理，可以实现电动机的正/反转控制。通过对脉宽调制（PWM）信号占空比的调整，可以实现速度的调节。

理解了H全桥及脉宽调制的基本原理，下面来详细说明智能汽车驱动的设计方案。

2.2.3　A型车模、D型车模电动机驱动方案

A型车模是广大车友公认的、最好用的车模，除了其具有良好的机械性能外，还因为其电动机的功率适中，驱动方式简单；而D型车模是自平衡组专用的车模，车上有两个电动机，电动机功率小于A型车模，驱动起来也很简单。广大车友在设计驱动时最常用的驱动方式（也是相对简单且成熟的驱动方式）为使用BTN7971芯片来实现H全桥的搭建。BTN7971芯片是应用于电动机驱动的大电流、半桥、高集成芯片，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，因而减小了EMI。集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生及过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。BTN7971芯片的可输入电压为4.5～28V，驱动电流可达70A，完全可以满足A型车模和D型车模的电动机需求。图2.2.6所示为BTN7971芯片外形照片。

图2.2.6　BTN7971（TO-263-7）

BTN7971芯片集成度非常高，使用起来没有三极管搭建的H全桥那样繁杂。每一片BTN7971芯片就是一个半桥，两片BTN7971芯片即可组成一个H全桥电动机驱动电路。具体驱动方案如图2.2.7所示。

在图2.2.7中，N3和N9为输入的脉宽调制（PWM）信号，OUT1和OUT2分别接电动机的两极，如此便可实现电动机的正/反转调速。通过改变两路脉宽调制（PWM）信号的占空比，使OUT1与OUT2两端产生电压差，电动机就会转动。

初学者可以购买成品的BTN7971电动机驱动模块来学习、体会PWM信号调速的基本原理，融会贯通之后再将电动机驱动做到自己的主板上。BTN7971成品模块如图2.2.8所示。

图2.2.7　BTN7971芯片H全桥电动机驱动电路方案

图2.2.8　BTN7971电动机驱动成品模块

使用BTN7971芯片作为电动机驱动有诸多优点，如芯片集成度高、控制方法简单、外围电路简单等。但是，BTN7971芯片也有其自身的不足，过高的集成度也导致该芯片内阻很大，在有PID参与的智能汽车速度调控中很容易发热，温度过高会导致芯片过热保护而停止工作。所以，BTN7971芯片更适合驱动功率相对适中的A型车模和D型车模，A型车模所配电动机功率约为26.5W，D型车模所配电动机功率约为11.5W，显然BTN7971芯片的驱动能力远大于此。对于电动机功率相对较大的B型车模来说，使用BTN7971芯片不是最理想的驱动方式。

2.2.4　B型车模电动机驱动方案

在设计B型车模电动机驱动方案前，先来看一下B型车模电动机的基本参数。

工作电压：DC7.2V。

空载电流：1.72A。

最大电流：9.71A。

空载转速：23400RPM±10%。

负载转速：19900RPM±10%。

最大功率：61.75W。

由此可见，B型车模电动机功率较大，用BTN7971芯片驱动时，在PID调速情况下很容易出现过热现象。这是因为BTN7971芯片自身内阻较大，在大电流通过芯片时会产生较大热量。如果散热不及时，有可能导致芯片过热保护而失去驱动能力。针对此情况，需要使用另一种大电流驱动方式来解决B型车模的电动机驱动问题，即N-MOS H全桥电动机驱动。

图2.2.9所示为N-MOS和P-MOS原理示意，首先了解一下两者的特性与区别。

图2.2.9　N-MOS与P-MOS原理示意

（1）N-MOS的特性。vgs大于一定值就会导通，适用于源极接地的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。

（2）P-MOS的特性。vgs小于一定值就会导通，适用于源极接V _CC 的情况（高端驱动）。虽然P-MOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大、价格贵、替换种类少等原因，在高端驱动中通常还是使用N-MOS。

N-MOS的导通电阻小，且容易制造也是它被常用的原因。在MOS管原理示意中可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管，也叫“晶体二极管”，在驱动感性负载（如电动机）时，这个二极管很重要。

N-MOS管，即N沟道场效应管，其连接方式可以类比三极管，在H全桥的设计中，可以参考本节三极管H全桥电路搭建N-MOS电动机驱动电路。在本部分的驱动设计示例中，使用IR2104（见图2.2.10）来驱动N-MOS管，采用的N-MOS管为LR7843（见图2.2.11）。

查阅芯片手册可知，LR7843芯片的最大电流可达100A以上，且自身内阻很小，所以使用LR7843驱动B型车模电动机完全克服了BTN7971芯片的发热问题。查阅IR2104的芯片手册可以得到搭建N-MOS电动机驱动的典型电路，但是其中的相关电容值要根据电动机的功率进行合理计算。图2.2.12给出N-MOS电动机驱动的参考电路原理。

在图2.2.12所示的H全桥电动机驱动电路原理中，将控制信号输入IR2104中，使用一片IR2104可以控制两个N-MOS管成为一个半桥，两路相同的半桥接入电动机两极实现H全桥驱动。方案中的电容和电阻给出参考值，C2、C4使用10μF的钽电容即可。在智能汽车制作过程中建议读者自行计算，使得驱动性能更加完善。