在使用ROS机器人构建地图的过程中,它们需要在房间里自主操作来收集地图信息。在此过程中,需要控制电机的正反转以及电机的转速,以适应机器人的直线运动、转弯等动作。
正反转控制原理
有刷电机的正转和反转非常简单。只需调换电机供电线的正负极即可实现电机的正反转控制。在自动控制系统中,我们不可能手动调换电机的正负供电顺序。我们需要使用程序和硬件电路来实现这一点。
如下图所示,用四个功率管(可以是MOS管,也可以是IGBT)搭建桥式电路。从桥臂中心引出两根导线,连接到电机的电源引脚。
当用单片机控制Q2、Q3导通,Q1、Q4关断时。电流通过电源正极,流经Q3、电机线圈,Q2流向GND。假设在此状态下电机正向旋转。
当使用单片机控制Q1、Q4导通,Q2、Q3关断时。电流流经电源正极、Q1、电机线圈、Q4 到GND。假设在此状态下电机反向旋转。
通过桥式电路两种状态的切换,可以轻松实现电机的正反转控制。有刷电机的正反转控制也可以用两个继电器简单实现,但这种方法不方便调速,这里不再介绍。
直流有刷电机调速原理
根据电机电压平衡方程
从公式可以看出,电机转速n与电源电压成正比。因此,可以通过改变电机电源电压来实现调速。
在电力电子中,可以通过PWM波控制开关管的通断来调制直流电压。调制电压满足Vout=D*Vin的关系,其中D为PWM波的占空比,等于一个PWM周期中高电平持续时间与PWM周期的比值。
调速方式:进行晶体管控制时,可以选择三种不同的斩波方式:HPWM-LON、HON-LPWM、PWM-ON-PWM。我一般用的是HPWM-LON方式,即上管PWM,下管导通。
直流有刷电机驱动电路
H桥电路采用4个大电流NMOS管。 100欧门极电阻起到抑制浪涌电流的作用。 10K电阻构成栅源寄生电容放电电路。栅极二极管提供低阻抗MOS管关断路径以加速该过程。 MOS管关闭。 (电路中的元件参数要根据实际PCB进行调整)
半桥驱动电路,当MOS管栅源电压高于阈值电压时,MOS管开始导通。 IRF3710的阈值电压为4V。但仅用4V电压驱动MOS管时,MOS管的Rds比较大,MOS管无法流过太大的电流,如下图所示:
从图中可以看出,随着栅源电压的增大,MOS管的通流能力也增大。因此,在驱动器设计过程中,我采用了12V电源作为MOS管的驱动器。当MOS管导通时,MOS可以有很小的Rds,让MOS管有更大的通流能力。
电路中的C7用作自举电容。驱动H桥电路上臂时,由于上桥MOS管的源极电压较高(24V),因此MOS管的G极电压应比源极高12V。只有这样才能导通(Vgs=36V)。这里,利用电容两端电压不能突变的特性,半桥驱动芯片内部电路将MOS管的栅极电压提升到36V。此时,MOS栅源电压满足导通条件。由于自举电容C7需要定期充电,因此该电路的PWM占空比无法达到100%,因此编程时需要特别注意。
光耦隔离电路利用光耦器件将驱动器与主控电隔离,防止电机驱动器对主控器的干扰。
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