无人车驱动模块设计报告.doc

无人车电机驱动设计报告学 院：仪器与电子学院专 业：测控技术与仪器学 号 姓 名：1306014208王浩宇学 号 姓 名：1306014211崔恒瑞学 号 姓 名：1306014235高晟淇学 号 姓 名：1306014244张可迪起 迄 日 期: 2016年4月5日 4月15日设计地点:主楼12层1217#指 导 教 师:唐军、申冲、段俊萍2016年 4 月 17 日无人车电机驱动设计报告一. 问题综述现代工业中，自动化发展占据了行业发展的重要地位，自动化是当今工业中的重中之重1，为了与时代的发轨迹接轨，从细微处培养学生，现我们需要对一飞思卡尔C型车模设计电机驱动电路2，要求可正常启动电机、按控制信号进行速度控制并可以进行正反转切换，二. 设计思路 驱动电机需要较大电流，在使用专用电池作为电源来满足电源需求可以提供足够电流的同时，还需要保证传输线路也可承受足够大的电流，因并且为了延长电池使用时间，提高电路效率，需要减小在传输线路上的功耗，还可减小电路体积。4三. 方案比较与论证3.1 电路拓扑选择可选拓扑结构有四分之一桥，半桥，以及全桥电路，四分之一桥电路简单，但对开关管压力较大；半桥电路驱动能力强，对开关管压力较小，但不能正反转；全桥驱动结构相较而言稍复杂3，如图1，但其驱动方向灵活，负载能力极强，因此选用全桥电路作为基本驱动拓扑。驱动原理如图2。图1 全桥图2 全桥驱动示意图3.2 开关器件选择可选用的开关器件有继电器，mos管，三极管，晶闸管，igbt等，其中，继电器导通电阻极低，可通过电流较大，但由于对控制信号的频响性能较差，无法适应上千赫兹的控制信号，因此不予考虑；三极管对控制信号敏感，控制信号的幅值可任意选择，但导通电阻过大，在驱动电机时的大电流情况下功耗较大，同时还会有较大压降，不予考虑。晶闸管本身在作为驱动开关管时具有物理缺陷，在此不予讨论。场管对控制信号要求较高，有导通下限电压，但导通后导通电阻可以只有几毫欧，可承受较大电流，同时对高频信号的频响性能很好，因此选择大功率场管作为驱动电路的开关器件。在此我们选择IRF3710作为开关管，其具有100V漏源耐压，最大57A长时间漏级电流，以及导通电阻最大仅23m的优秀特性。在本次设计中其漏源电压不大于30V，导通时间不大于0.1ms，如图3，在安全使用区域内。 图3 IRF3710安全使用区域3.3 开关驱动选择 驱动MOS管的开关电压为栅源电压，通常要求至少5V的栅源电压才可以完全导通，导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。 在这里，由于全桥负载为电机，并不是纯粹的阻性元件，所以选用自举式驱动电路以增强驱动电路的驱动能力，为减少走线，使用同一驱动信号驱动一个全桥电路，选择ir2184作为驱动电荷泵，其具有单信号输入双反相信号输出、最大1.8A驱动电流输出、600V耐压等功能，符合驱动电路需求。其专用电路如图4，输入输出关系如图5所示。图4 IR2184典型应用电路图5 IR2184驱动波形图2.2设计原理框图图七 设计框图四. 元器件参数计算4.1电荷存储电容及开关信号频率选择 对于电荷泵，频率越高，所需要的电容越小，但频率过高则会导致开关管的驱动波形杂波增加，开关能力下降，同时还会在电路中造成不必要的大量干扰杂波，因此，驱动频率也不能太高，通常驱动频率选择10到100kHz，此时，1uF的电容即可满足需求，10uF的电容可达最佳效果。4.2电荷泵防倒灌二极管选择防倒灌二极管需要在极短的时间内向电容提供足够的电荷，即需要能经受瞬时超大电流，同时在高端自举时还需经受高压，但用作电机驱动时无需过高的电压，耐压超过100V即可，通常使用1N4007即可较好的完成电路目标。五. 仿真分析全桥驱动电路简单原理仿真图九 全桥电路仿真六. 电路设计与实现 C车模具有两个电机，因此驱动电路需要相同的两块，在此仅画出一块，另一块完全相同。图八 驱动原理图图十七. 小结电机驱动设计应从大电流，调速，抗干扰及防止对外干扰等方面出发，全方位考虑设计对整体无人车系统的影响，结合技术手段，知识水平，资金现状的方面来进行设计。自举电路中自举电容的选择十分重要，电容过小会严重影响驱动效果自举式全桥驱动由于开关管栅极和驱动芯片高端输出处存在漏电阻，会缓慢的放电，所以不可以长时间维持在高端导通状态，如需要高端长时间导通，可以采用抬高自举电压的方法，使不处于自举状态也可使高端导通即可，对于C车模，电池供电电压7.2V，为取得良好导通效果，需要至少15V栅源电压，因此IR2104电源电压为7.2+15=22.2V，取22V即可，为取得高电压，需要一个升压模块来从电池电压来获得高电压，在此可选用MC34063A来产生高电压。图十一 MC34063A典型应用电路表一 MC34063A应用电路元件参数计算表图十三 IR2184内部框图八. 参考文献1 陈国顺，宋新民，马峻等.网络化测控技术M,电子工业出版社，2006.9.2 庞君，计算机辅助测试的发展趋势虚拟仪器J，攀枝花学院学报，2003.6:83-83.3 宋国梁,王冰川,姜海宽.直流电机半臂全桥驱动电路的设计J.中国新通信,2012,(第21期).4 闫莹.电机驱动电路设计J.科学与财富,2014,(第6期). 5 郝晓剑等.测控电路设计与应用M,电子工业出版社6 徐锦钢,孙俊杰,韩丹