智能车电机驱动模块使用详解(1)

智能车电机驱动模块使用详解

智能车的驱动系统一般由控制器、电机驱动模块及电机三个主要部分组成。智能车的驱动不但要求电机驱动系统具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性，而且电机的转矩‐转速特性受电源功率的影响，这就要求驱动具有尽可能宽的高效率区。

控制器采用飞思卡尔16位单片机PWM功能完成，智能车电机一般每一届都有主委会提供，而且型号指定，参数固定。一般提供的为直流电机。其控制简单、性能出众、供电方便。直流电机驱动模块一般使用H型全桥式电路实现电机驱动功能。

H桥驱动工作原理

H 桥驱动电路是为了直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如下。从图中可以看出，其形状类似于字母“H”，而作为负载的直流电机是像“桥”一样架在上面的，所以称之为“ H 桥驱动”。4个开关所在位置就称为“桥臂”。

从电路中不难看出，假设开关 QA、QD接通，电机为正向转动，则开关QB、QC接通时，直流电机将反向转动。从而实现了电机的正反向驱动。电流的大小，决定了电机的转速，通过PWM的占空比（电流通断比）来决定电流的大小，从而间接控制了电机的转速。

H桥驱动选型分析

H 桥驱动的主要性能包括：

1、效率，驱动效率高就是要将输入的能量尽量多的输出给负载，而驱动电路本身最好不消耗或

少消耗能量。具体到H桥上，也就是四个桥臂在导通时最好没有压降，越小越好。

2、安全性，不能同一侧的桥臂同时导通；

3、电压，电压是指能够承受的驱动电压；

4、电流，电压是指能够通过的驱动电流。

根据H桥驱动的主要特性分析，安全性主要由控制部分决定。在智能车设计中，电机是固定型号的（一般组委会会提供车模和电机），所以所需的电流和电压时有限的，所以H桥驱动的选型会重点关注H桥驱动的效率，即关注MOS管的压降上。因此我们选择H桥驱动遵循以下原则：

(1)由于驱动电路是功率输出，要求开关管输出功率较大；

(2)开关管的开通和关断时间应尽可能小；

(3)小车使用的电源电压不高，因此开关管的饱和压降应该尽量低。

在智能车电机驱动设计中，可以采用大功率达林顿管或场效应管搭建全桥电路，同时也可以使用桥式专用集成驱动芯片，例L298、MC33886,BTS7960,集成芯片的性能稳定可靠。

BTS7960驱动电路

BTS7960是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。P沟道高边开关省去了电荷泵的需求, 因而减小了EMI。集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。BTS7960通态电阻典型值为16mΩ，驱动电流可达43A。系统框图如下，采用两片BTS7960组成全H桥驱动电路，完成控制电机正反转的功能。

BTS7960的芯片内部为一个半桥。INH引脚为高电平，使能BTS7960。IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。IN=1且 INH=1时，高边MOSFET导通，OUT引脚输出高电平；IN=0且INH=1时，低边MOSFET导通，OUT引脚输出低电平。SR引脚外接电阻的大小，可以调节MOS管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能。IS引脚是电流检测输出引脚。

主要电气参数如下：

参数 特性 备注 Operating Voltage（VS） 5.5 – 27.5V

RON(HS) 7mΩ High Side Switch

RON(LS) 9mΩ Low Side Switch Rise‐time of HS tr(HS) 1µs

Fall‐time of HS tf(HS) 1µs

Rise‐time of LS tr(LS) 1µs

Fall ‐time of LS tf(LS) 1µs

由于电机在正常工作时对电源的干扰很大，所以在智能车电源设计中，采用双电源供电方式，单片机及控制电路采用单独5V 供电，电机驱动部分采用7.2V 供电。

控制部分采用PWM 控制电机的正反转，改变PWM 的占空比调节电机的转速。控制部分和电机驱动部分之间采用缓冲器隔开，有效的保护单片机的IO 口。

对比历届届智能车竞赛所用的电机型号和参数，电机的工作电压基本7.2V,工作电流为4A 左右,下表为RS285S 的参数。

RS385S 工作电压 DC7.2V 空载电流 700mA 负载电流 3.9A 空载转速 20000rpm±10% 负载转速 15000rpm±10%

启动电压 0.6V 启动电流 400mA 堵转电流 5.2A 绝缘电阻

>=10M Ω

PWM控制电机

PWM（脉冲宽度调制）控制通常配合桥式驱动电路实现直流电机调速，电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比α＝1时，电机转速最大。

智能车使用的单片机一般都有PWM直接输出接口，频率可调。BTS7960的INH引脚为高电平，使能BTS7960。IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。IN=1且 INH=1时，高边MOSFET 导通，OUT引脚输出高电平；IN=0且INH=1时，低边MOSFET导通，OUT引脚输出低电平。在BTS7960使能的情况下，控制系统只要使用单片机的的PWM输出口即可完成电机的正反转和调速功能。