无人车驱动模块设计报告

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23mΩ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,韩丹丹.直流电机驱动和调速研究[J].科学时代,2015,(第8期).

[7] 马宗毅,曾绍稳.基于STM32的无刷直流电机驱动器设计[J].科技创新与应用,2016,(第10期).

[8] .BD65491FV/2MUV：电机驱动[J].世界电子元器件,2011,(第5期).