電動小車的電機驅(qū)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(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三個主要部分組成。電動小車的驅(qū)動不但要求電機驅(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)。本文即主要介紹這種直流電機的驅(qū)動及控制。

1．H 型橋式驅(qū)動電路

直流電機驅(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)直流電機的四象限運行，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，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，電機兩端加正向電壓，可以實 現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng)S3、S4導(dǎo) 通時，S1、S2關(guān)斷，電機兩端為反向電 壓，電機反轉(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，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)電機處于制動狀態(tài)時，電機便工作在發(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??；
(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專用驅(qū)動芯片，如L298、LMD18200，性能比較穩(wěn)定可靠。