3.2.6电机驱动模块设计

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1、上海大学2001级硕士研究生学位毕业论文THEPOSTGRADUATETHESISOFSHANGHAIUNIVERSITYVGYRO-X取值区间为[0.25,2.45]V，因此经过放大处理的信号满足单片机模拟通道输入要求。由于从传感器出来的信号存在杂音，因此必须经过高、低通滤波。电容C15和电阻R2。组成高通滤波电路，可以将频率低于。.33HZ的信号(包括直流分量)滤除;电容C19和电阻R22构成一低通滤波电路，将频率高于1000HZ的信号滤除。3.2.6电机驱动模块设计[22][3913.2.6.1概述由于直流电机具有良好的线性调速特性、简单的控制性能、高的效率

2、、优异的动态特性，虽然近年来不断受到其他电动机(如交流变频电动机、步进电动机等)的挑战，但到目前为止仍然是大多调速控制的最优选择，因此本设计采用直流电机。直流电动机转速U一IRn二:一(3-7)K中式中:U一电枢端电压;I一电枢电流;R一电枢电路总电阻:中一每极磁通量;K一电动机结构参数;通过分析公式(3-7)，得知可以通过两种方式来控制直流电动机转速:对夙磁磁通进行控制的励磁控制法;对电枢电压进行控制的电枢控制法。但励磁控叙法在低速时受到磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种方式用的比较少，大多场合

3、采用电枢控制法。电枢控制通常离不开半导体功率器件，控制方式可以分为两类:线性放大驱动方式和开关驱动方式(即PWM)a线性放大驱动方式是使半导体功率元件工作在线性区，具有控制原理简单、输出波动小、线性好、对邻近电路干扰小的优点，但发热量大、效率低、散热问题严重，只适合微小功率直流电动机驱动。考虑到本设计采用较大功率直流电动机，因此采取PWM调速。3.2.6.2直流电机PWM调速原理图3-20是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。在图3-20(a)中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压US.

4、t1秒后，栅极输入变为低电平，上海大学2001级硕士研究生学位毕业论文THEPOSTGRADUATETHESISOFSHANGHAIUNIVERSITY开关管截止，电动机电枢两端电压为0-t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机绕组两端的电压波形如图3-20(b)所示。电动机绕组两端的电压平均值为:Uc，二t_-TUs=au,(3-8)tj+t>式中:a一一占空比通过改变a的值可以改变电枢绕组两端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速的原理。直流电动机(a)原理图(b)输入输出电压波形图3-2

5、0PWM调速控制原理和电压波形图PWM控制信号的产生方法有4种:1)分立电子元件组成的PWM信号发生器，通过逻辑电子元件组成PWM信号电路，目前已被淘汰;2)软件模拟法，这种方法需要占用大量CPU时间，因此也逐渐被淘汰;3)专用PWM集成电路，这些芯片除了具有PWM发生功能外，还有调节和保护功能;4)单片机的PWM口，只有在改变占空比时才需要占用CPU时间;为了减轻控制板重量，提高系统的集成度，采用第四种方案来产生占空比可调的PWM信号。3.2.6.3电路设计本电路主要采用工作在开关状态的三极管及场效应管，以及电阻构成。采用场效应管实现电动机电源的开关作用，三极管

6、的主要作用是提高场效应管的控制电压，同时避免从单片机输出的电流过大，减少单片机输出功率，提高单片机安全性和可靠性。上海大学2001级硕士研究生学位毕业论文THEPOSTGRADUATETHESISOFSHANGHAIUNIVERSITY3.2石31三极管工作原理本电路采用片式封装59013三极管，其特性如下:HFEPc(mw)Ie(Sat)(mA)Ft(MHz)MINMAX4505006030015059013为NPI型三极管，可以工作在三个区:截止区、放大区和饱和区。1)截止区:三极管发射结反偏，集电结也反偏，IB=0.Ic=ICEG;2)放大区:三极管发射结

7、正偏，集电结反偏，IC=PIa;3)饱和区:三极管集电结处于正向偏置，IB的变化对Ic的影响很小;Ic达到饱和状态。本设计就是利用三极管工作在截止区和饱和区的原理实现其开关作用的。3.2.6.3.2场效应管工作原理本控制系统采用的场效应管元件为TO-220封装的IRF3205MOSFET。其主要性能参数如下:VDSS(max)}ID(max)!RDS(on)}VGS(maX)VGS(th)55V}110A}8.OmD}士20V2--4V101ns65ns当栅极(G)和源极(S)之间所加正向电压超过VGS时，场效应管导通，电路工作;当当栅极(G)和源极(S)之间加正

8、向电压低于