CN201557075U

CN201557075U - 一种模型车用电机驱动控制装置

Info

Publication number: CN201557075U
Application number: CN2009202457730U
Authority: CN
Inventors: 赵轩; 马建; 曹仁磊; 秦绪鑫; 史骏; 张伟方; 甄娜; 王冀白
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2019-12-15

Abstract

本实用新型公开了一种模型车用电机驱动控制装置，包括直流电动机，在直流电动机两端配置有4个场效应管，每一个场效应管的输入端连接有接地电阻和电压比较器，其中，第一场效应管与第四场效应管通过直流电动机串联连接，第二场效应管与第三场效应管通过直流电动机串联连接，组成H型双极模式转换电路；在所述的第一场效应管与第二场效应管之间接有升压电路和电源，第三场效应管和第四场效应管与各自的电压比较器之间还连接有稳压二极管，其中，升压电路还与控制单元相连接。可以对直流电机转速和转动方向进行精确的控制，实现电机的启动，正转，反转，制动等操作。

Description

一种模型车用电机驱动控制装置

技术领域

本实用新型发明属于电子控制领域。涉及一种电机调速装置，特别是一种专门针对模型车用小型直流电机而设计的一种控制电机正反转的H桥型PWM调速驱动控制装置。

背景技术

随着社会的发展，各种电子控制智能化产品日益走入寻常百姓家。为了实现产品的便携性、低成本以及对电源的限制，小型直流电机应用相当广泛。在各类机电系统中，由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能，并且调速范围广，调速特性平滑，过载能力较强，能承受频繁的冲击负载，其应用范围非常广泛。所以在各种利用直流电动机的场合，直流电动机的调速一直是人们关注的问题。

随着电力电子技术的发展，脉宽调制(PWM)直流调速技术成为一种常用的直流调速方法，它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和功率损耗低等特点。传统的晶闸管直流调速系统，其控制回路都是采用模拟电子线路构成的，晶闸管触发器多数还是采用分立元件组成的，这使得控制回路的硬件设备极其复杂，安装调试困难，相对故障率较高。PWM驱动装置与传统晶闸管驱动装置比较，具有下列优点：需用的大功率可控器件少，线路简单；调速范围宽；电流波形系数好，附加损耗小；功率因数高；可以广泛应用于现代直流电机伺服系统中。

发明内容

本实用新型的目的在于，提供一种模型车用电机驱动控制装置，该装置采用单片机控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用单片机控制后，整个电路结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足模型车的调速要求。

为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种模型车用电机驱动控制装置，包括直流电动机，其特征在于，在直流电动机两端配置有4个场效应管，每一个场效应管的输入端连接有上拉电阻、电压比较器和升压电路，电压比较器与单片机的信号输出端连接，升压电路把驱动信号放大到24V，为电压比较器供电。其中，第一场效应管与第四场效应管通过直流电动机串联连接，第三场效应管与第四场效应管通过直流电动机串联连接，组成H型双极模式转换电路；所述的第一场效应管与第二场效应管分别与直流电源连接，第三场效应管和第四场效应管之间接地，其中，电压比较器和控制单元连接。

本实用新型的其他一些特点是：

所述的控制单元选用MC9S12DG128B单片机。

所述的4个场效应管的型号为IRF3703。

所述的电压比较器的型号为LM339。

所述的升压电路选用MC34063制作。

本实用新型的模型车用电机驱动控制装置，通过对电流和转速两个参数的实时处理，实现了直流电动机的实时数字PWM控制。在运行中获得了良好的动静态性能。由于系统性价比高，结构简单，具有实用价值和推广意义。

本实用新型带来的技术效果是：

(1)结构简单，实用性强，体积小，可以方便的安装在模型车上，实现模型车用小型电机的调速功能。

(2)微处理器技术先进，性能稳定，可靠性高，技术优先。

(3)主电路线路简单，需要的功率器件少，效率高，功耗低。

(4)开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗小。

(5)采用H桥型PWM调速驱动控制电路，脉宽调制(PWM)直流调速技术具有调速精度高、响应速度快、平稳性好、调速范围宽和功率损耗低等特点。

(6)系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰你能力强。

(7)采用Mosfet的H桥电路，具备较好的性能和较高的可靠性，并具有较大的驱动电流，低功耗。

(8)实验结果表明，本实用新型的模型车用电机驱动控制电路运行稳定可靠，电机速度调节响应快。能够满足实际工程应用的要求，有很好的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型的模型车用电机驱动控制电路图；

图2是升压电路图；

图3是电枢电压“占空比”与平均电压关系图；

图4是单片机MC9S12DG128管脚图；

图5是电压比较器LM339管脚图；

图6是MC34063管脚图；

以下结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

具体实施方式

本实用新型的模型车用电机驱动控制装置，包括：由Freescale公司生产的MC9S12DG128B单片机，由广东东莞博思电子数码科技有限公司制造的RS380-ST型直流电机，场效应管IRF3703，电压比较器LM339，升压电路MC34063。实现电机的启动，正转，反转，制动和调速。对于电机的控制采用了基于“H”桥驱动电路的PWM控制。

1、硬件设计：

参见图1，本实用新型的模型车用电机驱动控制装置，包括直流电动机，其特征在于，在直流电动机两端配置有4个场效应管(S1、S2、S3、S4)，每一个场效应管的输入端连接有上拉电阻、电压比较器以及升压电路，升压电路把驱动信号放大到24V，为电压比较器供电；其中，第一场效应管S1与第四场效应管S4通过直流电动机串联连接，第二场效应管S2与第三场效应管S3通过直流电动机串联连接，组成H型双极模式转换电路；在所述的第一场效应管S1与第二场效应管S3分别与7.2V的直流电源相连，第三场效应管S3和第四场效应管S4之间接地，其中，电压比较器与控制单元相连接。

场效应管(S1、S2、S3、S4，型号为IRF3703 Mosfet)由4个TO-220封装组成H型双极模式转换电路进行调压，控制电机转动方向和转速。该驱动电路方便地实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。H桥功率驱动原理图如图1所示。H型全桥式驱动电路的4只场效应管(IRF3703 Mosfe)都工作在斩波状态。场效应管S1、S4为一组，场效应管S2、S3为一组，这两组状态互补，当一组导通时，另一组必须关断。当场效应管S1、S4导通时，场效应管S2、S3关断，电机两端加正向电压实现电机的正转或反转制动；当场效应管S2、S3导通时，场效应管S1、S4关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。实际控制中，需要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在场效应管S1、S4导通且场效应管S2、S3关断到场效应管S1、S4关断且场效应管S2、S3导通，这两种状态间转换。实现直流电机的转速和方向的调节控制。控制回路采用MC9S12DG128B单片机为核心，利用S12单片机带有的A/D转换和PWM输出功能，可简化直流电机控制系统的软、硬件设计，提高效率。

MC9S12DG128B单片机是Motorola公司M68HC12系列16位单片机中的一种，其内部结构主要有单片机基本部分和CAN功能块部分组成，基本结构包括：一个中央处理器单元HCS12(CPU)，2个异步串行通信口SCI，2个同步串行通信口SPI，8通道输入捕捉/输出比较定时器，1个8通道脉宽调制模块以及49个独立数字I/O口(其中20个具有外部中断及唤醒功能)，在片内还拥有128KB的Flash ROM，8KB的RAM，2KB的EEPROM。

CAN功能块包括两个兼容CAN2.0A/B协议的msCAN控制器组成，这些丰富的内部资源和外部接口资源可以满足ECU对各种数据的处理、CAN网络数据的发送和接收要求，芯片集成了两个msCAN12模块，能够实现高低速CAN网络的网关节点功能。

场效应管(IRF3703 Mosfet)的开启电压Vgs至少在4.5V以上，如图1所示，IRF3703 Mosfet其参考点与电池正极(7.2V)是连通的，因此其开启电压至少在12V以上。也就是说，必须将单片机的信号放大或升压。因此使用电压比较器LM339作为场效应管(IRF3703 Mosfet)的隔离驱动(Driver)。使用MC34063制作升压电路如图2所示，把驱动信号放大到24V左右，为Mosfet Driver供电。

LM339电压比较器芯片内部装有四个独立的电压比较器，是很常见的集成电路。利用LM339可以方便的组成各种电压比较器电路和振荡器电路。

电压比较器LM339内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1)失调电压小，典型值为2mV；2)电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3)对比较信号源的内阻限制较宽；4)共模范围很大，为0～(Ucc-1.5V)Vo；5)差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6)输出端电位可灵活方便地选用。

电压比较器LM339采用C-14型封装，管脚排列如图5所示。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。

电压比较器LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压(也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点)，另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻(称为上拉电阻，选3-15K)。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。采用LM339可构成单限比较器、迟滞比较器、双限比较器(窗口比较器)、振荡器等。电压比较器LM339还可以组成高压数字逻辑门电路，并可直接与TTL、CMOS电路接口。

电机驱动模块选用大功率场效应晶体管IRF3703作为H桥开关元件。经测试，当IRF3703的栅源电压V_GS为16V时，其导通电阻仅有6mΩ左右，因此可以显著降低管压降，大大提高电机的驱动功率。系统对电机采用全桥驱动，因此可以在电机转速过快时对电机实施反向制动，从而迅速降低转速。

本实施例给出了一种以MC9S12DG128B单片机为核心，以RS380-ST型直流电机为载体，制作了一套模型车用小型直流电机调速系统。该系统的硬件电路设计主要分为4个部分：基于单片机MC9S12DG128B的控制单元(如图4所示)，由场效应管IRF3703组成的“H”型全桥式驱动电路(如图1所示)，基于电压比较器LM339的Mostfet Driver电路，使用MC34063制作的升压电路(如图2所示)。该系统的软件部分，程序采用C语言编写，编译环境为CodeWarrior 4.7，通过清华大学提供的BDM将程序烧写到S12芯片中。

2、软件设计：

PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图3所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为V_max，设占空比为D＝t/T，则电机的平均速度为：

V_d＝V_max*D (1)

式中，V_d——电机的平均速度；

V_max——电机全通电时的速度(最大)；

D＝t/T——占空比。

由公式(1)可见，当改变占空比D＝t/T时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。

Freescale S12单片机具有两个定时器T0和T1。通过控制定时器初值T0和T1，从而可以实现从S12单片机的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。由于PWM信号软件实现的核心是S12单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。如果单片机的时钟频率为f，定时器/计数器为N位，则定时器初值与定时时间的关系为：

t_{1} = (2^{n} - T_{w}) * \frac{N}{f * 10^{6}} - - - (2)

T_w——定时器定时初值；

N——一个机器周期的时钟数。

本实用新型采用软件计数法控制程序。软件计数法的基本思想是：当单位延时个数M求出之后，将其作为给定值存放在某存储单元中。在通电过程中，对通电单位时间t₀的次数进行计数，并与存储器的内容进行比较。若不相等，则继续输出控制脉冲，直到计数值与给定值相等，使电机断电。程序如下：

void PWMoutVec(int Velocity)//控制电机正转函数

{

If(Velocity＞667)Velocity＝667；

PTS_PTS4＝0； //S2，S3断开

PWMPER23＝667；

PWMDTY23＝0；

PTS_PTS6＝1； //S1，S4接通

PWMPER45＝667；

PWMDTY45＝Velocity；/*设置电机速度*/ //控制电机正转

}

void PWMoutReverseVec(int Velocity) //控制电机反转函数

{

PTS_PTS4＝1； //S2，S3接通

PWMPER23＝667；

PWMDTY23＝Velocity； /*设置电机速度*/ //控制电机反转

PTS_PTS6＝0； //S1，S4断开

PWMPER45＝667；

PWMDTY45＝0；

}

void PWMoutReverseVec(int Velocity) //控制电机停止函数

{

PTS_PTS4＝0； //S2，S3断开

PWMPER23＝667；

PWMDTY23＝0；

PTS_PTS6＝0； //S1，S4断开

PWMPER45＝667；

PWMDTY45＝0；

}

由于本实用新型采用了基于MC9S12DG128B单片机控制的直流电机调速系统，可以对直流电机转速和转动方向进行精确的控制，实现电机的启动，正转，反转，制动等操作。

本实用新型的模型车用电机驱动控制装置，具有以下特点：

(1)Freescale公司生产的MC9S12DG128B单片机作为控制单元，以RS380-ST型直流电机为载体，制作了一套直流电机调速装置。Freescale公司在车用单片机控制领域的市场占有份额较大，产品质量相对较好，采购更换容易方便。

(2)结构简单，实用性强，体积小，可以方便的安装在模型车上，实现模型车用小型电机的调速功能。

(3)微处理器技术先进，性能稳定，可靠性高，技术优先。

(4)该驱动电路能够满足各种类型小型直流电机需求，并具有快速、精确、高效、低功耗等特点。

(5)采用H桥型PWM调速驱动控制电路，脉宽调制(PWM)直流调速具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和功率损耗低等特点。

(6)采用Mosfet的H桥电路，具备较好的性能和较高的可靠性，并具有较大的驱动电流，低功耗。

Claims

1.一种模型车用电机驱动控制装置，包括直流电动机，其特征在于，在直流电动机两端配置有4个场效应管(S1、S2、S3、S4)，每一个场效应管的输入端连接有上拉电阻、电压比较器和升压电路；升压电路把驱动信号放大到24V，为电压比较器供电；其中，第一场效应管(S1)与第四场效应管(S4)通过直流电动机串联连接，第二场效应管(S2)与第三场效应管(S3)通过直流电动机串联连接，组成H型双极模式转换电路；在所述的第一场效应管(S1)与第二场效应管(S2)分别接有直流电源，第三场效应管(S3)和第四场效应管(S4)之间接地，其中，电压比较器还与控制单元相连接。

2.如权利要求1所述的模型车用电机驱动控制装置，其特征在于，所述的控制单元选用MC9S12DG128B单片机。

3.如权利要求1所述的模型车用电机驱动控制装置，其特征在于，所述的4个场效应管(S1、S2、S3、S4)的型号为IRF3703。

4.如权利要求1所述的模型车用电机驱动控制装置，其特征在于，所述的电压比较器的型号为LM339。

5.如权利要求1所述的模型车用电机驱动控制装置，其特征在于，所述的升压电路选用MC34063制作。