第四讲直流电机的驱动 - 图文-

1、机器人软硬件开发第四讲直流电机驱动主讲人:曾国强课时:404.直流电机的驱动设计如下所示为直流电机的等效模型: Ua:电源电压;Ra:电枢电阻;ia:电枢电流;La:电枢电感;ea:电枢反电动势;J:转动惯量;:转动角速度分析三种情况:1.当Ua不等于0,但是电枢的转动角速度为0时,我们称之为“堵转”。此时的电枢电流iaUa/Ra。因此Ra是我们用来衡量电机品质的一个重要参数。它代表了电机的能量转换效率,显然Ra越小,效率越高,消耗在电机本身的能量就越小。相对应的就越需要“堵转保护装置“。2.电枢电感的影响,由于电感的作用,显然当有电流的变化时,将产生抵抗这种电流变化的电动势的产生,因此在特殊

2、的情况如:电机被瞬间断电时,由于电流变化量很大,因此会在电机的供电线的两端产生瞬间的很高的与原电源极性相反的电压。因此对于PWM驱动模式,它的影响将不可忽略。而对于线性驱动方式则可以忽略。3.反电动势的影响,反电动势只在电枢转动时产生,因此在特殊情况下,电机突然的断电(PWM工作模式,由于惯性,电枢仍然继续转动,因此会在供电线两端产生与原电源电压极性相反的电压。因此可知当工作与PWM模式时,在电源供电电压为低电平时,会出现如上2,3所示的两种反向干扰脉冲,该干扰脉冲的大小根据电机的不同幅度会有所不同,对于60w的电机而言,通常高达100v以上,如果信号地与功率地直接互连时,等效于在5v的逻辑电

3、源两端连接上了反向的100v电压,该电压将对5v供电的逻辑芯片造成致命性的破坏。直流电动机调速系统的控制方法直流电动机转速n的表达式:转速n=(U-IR/(K其中:U:电枢端电压;I:电枢电流;R:电枢电阻;:每极的磁通量;K:电动机的结构参数。改变n的两种方法:1.改变励磁磁通2.调节电枢端电压对于第一种方法的缺点:动态响应较差,低速时受磁极饱和的限制,高速时受换向火花和换向器结构强度的限制。因此使用较少。对于第二种方法又有两种工作模式:线性放大驱动模式和PWM开关工作模式。4.1线性放大驱动模式 (a应用于ON/OFF 控制,不能调速,但是驱动力矩大(b应用于速度控制,但是低速时,由于三机

4、管压降的存在使得电能损耗严重,效率低.(c应用于大功率电机驱动场合,工作与高频区性能优秀,但也不能调速,需要搭配成对的MOS 管构成“H 桥驱动”才可进行开关调速。右图三种驱动方式均为不可逆系统既电极不能双向转动线性放大驱动的优点:¾控制简单,输出波动小,线性好,干扰小。线性放大驱动的缺点:¾使半导体器件工作在线性区会将大部分的电功率转换为热能,效率低,因此只适用于小功率电机驱动场合。如下介绍一个工程应用中的线性放大驱动的直流电机驱动系统 单片机最小配置电路运放:OP -07,输入电压:0-+/-14v电源电压:+3v-+18vR1=R3=20k;R2=5k,R4=5k;V

5、o=(1+R4/R3*R2/(R1+R2*Vi放大后的信号由于现场的电磁干扰,传感器和放大器本身的干扰,所以需要增加有源滤波(比无源在低频时有更好的性能截止频率为f 则:R1=2*pi*2/(f*cR2=R1/2;实际电路中c1=c2=1uf,R1=50k ,R2=20k <=0.05%,片内无采样保持,故需要增加LF398采样保持电路。LF398采样保持时间<10us. AD7541:12位分辨率;电流建立时间500ns,单一工作电源+5v-+15v;兼容TTL,CMOS电平。如右图所示为一个线性广电隔离电路。由于电动机为一个感性负载,为使被控电动机对象的滞后性不通过输出通道反向

6、影响控制 信号的输出,因此必须使用广电隔离技术避免电气的直接互连,通过光的强弱来传递实际的电信号。图中的光电隔离器件为TLP512-4。电路以推挽方式工作,把两路输入,输出特性加以合成,用以扩大输出电流的动态范围。R1=R2=1K,R3=R4=2K,R5=R6=2K,R7=5K,R8=20K,三极管分别为3DG21C和3CG21C。 如右图所示为一个功率放大电路。由于光电隔离输出的电流很小,不足以带动电机运转,因此需要设计功率放大电路满足负载的需求。通常其前置级是电压放大电路,最后一级为功率放大电路,把前置级的低频信号进行功率放大。以获得足够大的功率输出,带动电动机的运转。本电路是甲乙类双电源

7、互补对称电路形式,功率放大可以在0-16v范围内调节,避免了低电压时的死区。为获得较高的电压输出,选用+-24v直流为功放供电。由光电隔离输出的电流型控制信号,经运放的电压放大,以恒流源的方式控制功放的电压输出。考虑到电动机的电流由三极管提供,在大功率时,三极管的温升将导致三极管的最大输出功率下降,因此选用的三极管裕度要大。电路中:R1=5K,R2=R3=2K,R4=R7=20K,R5=R6=510,R8=R9=1,前级三极管为:3DG180H,3CG180H后级三极管为:3DD8A-T。4.2 PWM开关驱动方式 /Uo=(t1*Uo+0*t2/(t1+t2=t1*Uo/T=a*Uo其中a-

8、占空比,a=t1/T;PWM 调速的三种实现方法:1定宽调频法t1不变,只改变t22调宽调频法t2不变,改变t13定频调宽法T 不变,同时改变t1,t2前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的频率,当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时会发生振荡和啸叫,因此使用较少4.2 PWM波的产生¾分立元件组成的PWM信号发生器¾软件模拟法利用单片机的一个I/O引脚,通过单片机程序对该引脚不断的输出变化时间的高低电平来实现PWM信号。这种方法要占用定时器或者大量的CPU时间,因此仅适用于系统本身功能不多的情况。¾专用PWM集成电路(LM629,UC3842等¾单片机

9、的PWM口¾类似555定时器的定时信号充当PWM信号如右图为H桥驱动的示意图。展示了H桥驱动出现的4种情况1.电机正转,Q1,Q3导通,Q2,Q4截止2.电机反转,Q1,Q3截止,Q2,Q4导通3.共态导通,Q1,Q2,Q3,Q4均导通4.反向制动,Q1, Q4导通,Q2,Q3截止 PWM开关工作模式的H桥驱动电路的特点¾高效率,节省电能,尤其是便携式设备¾减少驱动电路的发热,提高了器件的可靠性¾电路简单,可靠¾如果处理措施不恰当,会产生很大的干扰,甚至烧毁整个电路板4.3几种直流伺服电机的驱动电路分析¾专用小功率电机控制芯片LG91

10、10¾小功率三极管H桥驱动电路¾恒压恒流桥式1A驱动芯片L293¾恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N¾基于IR2110的高低压H桥驱动电路¾MOS管与三极管结合的H桥驱动电路LG9110芯片特性描述¾低静态工作电流;¾宽电源电压范围:2.5V-12V;¾每通道具有800mA 连续电流输出能力;¾较低的饱和压降;¾TTL/CMOS 输出电平兼容,可直接连CPU;¾输出内置钳位二极管,适用于感性负载;¾控制和驱动集成于单片IC 之中;¾具备管脚高压保护功能;¾

11、工作温度:0-80LG9110 是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件,将分立电路集成在单片IC 之中,使外围器件成本降低,整机可靠性提高。该芯片有两个TTL/CMOS 兼容电平的输入,具有良好的抗干扰性;两个输出端能直接驱动电机的正反向运动,它具有较大的电流驱动能力,每通道能通过750800mA 的持续电流,峰值电流能力可达1.52.0A;同时它具有较低的输出饱和压降;内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流,使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。LG9110 被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。 LG9110电机驱动连接图 小功率三极管H桥驱动 将图中的三极管替换成8050和8550则可以最大驱动2A电流的电机。 恒压恒流桥式1A驱动芯片L293 L293是著名的SGS公司的产品,内部包含4通道逻辑驱动电路。其后缀有B、D、E等,除L293E为20脚外,其它均为16引脚。其额定工作电流为1A,最大可达1.5A,Vss电压最小4.5V,最大可达36V;Vs电压最大值也是36V,但经过我的实验,Vs电压应该比Vss电压高,否则有时会出现失控现象 恒压恒流桥式2A驱动芯片L2