電動(dòng)小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制

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(dòng)電路實(shí)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(gè)周期 內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)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=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(gè)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(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大。
PWM控制波形的實(shí)現(xiàn)可以通過模擬 電路或數(shù)字電路實(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)，不能用于自動(dòng)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(shí)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(jí)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(gè)I/O口， 內(nèi)部設(shè)有2個(gè)獨(dú)立的計(jì)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(hào)輸出，用以控制電機(jī)調(diào)速。
在實(shí)際制作過程中，我們認(rèn)為控制信號(hào)的頻率不需要太高，一般在400Hz以下為宜，占空比16級(jí)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(shí)候應(yīng)該區(qū)別對(duì)待。若車速太快，則在 轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，方向不易控制；而車速太慢，則很浪費(fèi)時(shí)間。這時(shí)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(dòng)車”的實(shí)際制作中，我們的小車驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dòng)電路中，由于開關(guān)管有開通和關(guān)斷時(shí)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(shí)燒毀開關(guān)管，同時(shí)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(dòng)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(dòng)電路時(shí)增加死區(qū)的方法。
死區(qū)時(shí)間的問題，只有在正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)的時(shí)候才存在，而在正轉(zhuǎn)啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)啟動(dòng)的時(shí)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(shí)間非常小，或者在硬件電路中增加延時(shí)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(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間，就是在突然換向的時(shí)候，插入一個(gè)延時(shí)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(shí)間的流程圖，在開關(guān)管每次換向的時(shí)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(shí)間，使其完全關(guān)斷后再換向打開另外的開關(guān)管。這個(gè)關(guān)斷時(shí)間由單片機(jī)軟件延時(shí)實(shí)現(xiàn)。

4．總結(jié)

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