有刷直流电机智能车用到两种类型的直流电机有刷直流电机和无刷直流电机智能车两个后轮的动力系统就是由两个有刷直流电机和电机驱动板以及电机连接轮胎的齿轮组构成而无刷直流电机多用于飞控系统和负压系统并且涉及类似FOC算法等复杂控制本文不涉及。我打智能车竞赛用到的几款有刷直流电机如下图可以看到有刷直流电机有两个电极和一个有“输出”作用的引出端两个电极连接供电线从而接受直流驱动电压没有绝对的正负极之分供电线两种接法分别对应了顺时针旋转和逆时针旋转“输出”端朝向左边或者右边不同的组合可以得出各种情况下的正转和反转因此最好是通过实际测试来排布装配不过仍然有必要使用红黑线焊接规定电机两极的正负这样可以防止混淆。输出端是一条有一面被刮平的金属小圆柱体这是用来装齿轮组的齿轮组通过齿数咬合驱动轮胎转动最终为整车提供了动力系统刮平的那一面用来卡紧齿轮组拧下的螺丝末端需要用到小型的六角扳手包括齿轮组的装配各种螺丝螺母对智能车参赛队伍的硬件队员来说都是一项具备考验性的任务在搭建、维护智能车的机械动力系统时需要注意三点第一注意零件与工具的型号尺寸最好有一个小包装一些各种尺寸的六角扳手M2、M2.5、M3螺丝螺母拧螺母用的十字板手电机线公头母座的替换接口等第二注意齿轮的咬合官方车模买到手以后随着不断调试和使用有可能需要更换配件什么的比如更换编码器编码器烧了时就得拧下来齿轮挡着了重新装配时应该边调整齿轮的位置边通过旋转轮胎带动齿轮组使其转动观察转动情况是否流畅咬合过松会无法驱动甚至直接卡住咬合过紧会导致电机堵转第三注意用电安全防止漏电、反接、短路等尤其注意电解电容可以适当使用绝缘螺母垫片热熔胶固定电机线等方式确保队友安全可靠地调试有刷直流电机通过直流电压进行供电在其额定电压下工作时效率最高电压极性代表了旋转方向有逆时针和顺时针两种方向实际使用时主打灵活安装当给定电压过高时电机容易发烫导致热损耗当给定电压过低时会达不到标准工况甚至停转智能车竞赛所用到的动力系统有刷直流电机基本上都是DC12V的额定电压因此电机的旋转转速可以通过改变供电电压的方式进行调整但是这个方法效率太低因此引入了PWM控制方式PWM是指Pulse Wideth Moderation翻译过来就是“脉冲宽度调制”脉冲的意思是脉动直流电不是5块钱的饮料而是在x轴及以上周期性地从0V转换为某一恒定电压在转换为0V的直流电就是模电里讲的方波在开关电源中也得到了广泛应用“宽度”一词是说这个周期性变换的直流电压非0V部分占总周期的占比这个被定义为“占空比”符号为D举例来说在开关电源中开关管周期性导通当开关管导通时两端电压为0当开关管关断时两端电压为Vin设导通时间为Ton周期为T则占空比DTon/T没有单位“调制”的意思就是通过控制脉动直流电的占空比D给到有刷直流电机从而达到控制其转速随占空比变换的效果叫做PWMH桥电机驱动电路只要能够产生特定占空比的PWM波再使用晶体管进行功率放大就可以任意转速地驱动有刷直流电机基本的验证型电机驱动电路如下图是通过基本的数模电电路来产生驱动信号的可以作为参考学习本文不深入。智能车竞赛等使用的成熟有效的方案是H桥电机驱动功率大控制方式简易方向、转速控制自如其基本原理和图c是相同的产生PWM驱动功率MOS管从而控制电机转速下图是典型的H桥电路四个MOS管组成的H桥可以用于DCAC功率回路数控、双向DCDC变换器电机驱动等多个应用场景。下图的H桥电路来自DRV8701电机驱动芯片Datasheet这个图片显示了这个芯片驱动H桥的电流流向情况很具有代表性因此我们以下图展开对H桥电路的介绍H桥由四个MOS管组成VM是总供电电压也是经过H桥处理后给到电机的电压SH1和SH2是H桥的输出端中间的电感线圈指示的是有刷直流电机两个下端MOS管下管通过一个限流保护电阻接地这个限流电阻很有意思智能车竞赛可以不加这个是在MOS管短路H桥的VCC和GND直通时因为限流电阻的存在可以控制外部供电的输出电流不至于让VM供电电池直流稳压电源的两端直通下面分析H桥的工作过程规定电机红线正极接SH1黑线负极接SH2电流从正极流向负极时电机正转所谓正转不是绝对的电机实际的转速只能由顺时针旋转和逆时针旋转区分并且电机位于动力系统的左边和右边都会影响所谓正反转的判断但是为了便于学习规定电流从正极流向负极为正转见下图中左图中的红线供电电压VM通过左桥臂左边上下两个MOS管组成半桥上管到达SH1电机正极通过电机的电感线圈到达负极SH2然后向下流经右桥臂下管并通过限流电阻到达地流经正的供电电压使电机正转右图红线可见供电电压VM通过导通的右桥臂上管到达电机负极SH2通过电机电感线圈到达电机正极SH1再流经左桥臂下管到达限流电阻从而流向地这样电路就从电机的负极流向正极达到电机反转的效果下图两图中的蓝线和绿线分别是“刹车”和“续流”的功能是根据所谓“电感电流不能突变”的原理设置的有刷直流电机的本质是电感线圈符合公式VLL*dIL/dt当电感中的电流被突然切断极短时间内有大的电流变化dIL/dt极大感应尖峰电压极大导致击穿MOS管等危险因此设置刹车和续流模式通过MOS管的体二极管等方式给电感续流这就是通过H桥控制驱动电机正反转的原理将输入电压VM改为PWM脉动直流电就可以通过PWM的占空比控制电机的转速PWM的产生需要PWM驱动器这是电机驱动芯片完成的任务单片机或者其他模电电路产生驱动能力较弱的PWM输入电机驱动芯片电机驱动芯片输出PWM波驱动MOS管从而控制全桥达到控制电机正反转和转速的目的DRV8701双电机驱动方案下图是两路电机驱动原理图主要由三部分组成电机驱动芯片DRV8701、MOS管、芯片外围电路从实物整体来看其中SH1-1和SH2-2需要连接一个电机接线端子接所驱动的电机另一路同理然后需要把DIRPWMEN5V这几个网络标签对应的引脚PHEN和nSLEEP引出来进行信号线和供电线接线另一路同理整体来说首先用四个MOS管搭建一个H桥驱动电路引出SH1和SH2接到芯片对应引脚供电电压锂电池等接两个上管漏极并通过一个二极管正接到芯片VM引脚在通过一个1uF自举电容接到VCP自举电容的作用是给上管驱动提供补偿上管的S极并没有接地所以G极需要一个更高的电压来驱动使得VGS足以驱动上管前面所说的二极管也相当于自举二极管CPH和CPL也作为自举电容端口按照芯片手册的要求接入一个自举电容GH1、GH2、GL1、GL2是全桥四个MOS管的驱动接口通过一个栅极驱动电阻Rdrive分别接到左右桥臂的上下管注意接线顺序其余AVDD和DVDD的使用参考芯片手册这里通过电容接地IDRIVE外接的电阻是设置最大驱动电流用的具体参考手册电机驱动板的打板测试下图是我参加智能车竞赛所设计制作的双电机驱动板也就是上面的原理图方案其实这一DRV方案最初就是由逐飞开源来的大家可以去网上下载逐飞的开源资料既然智能车竞赛用的这个驱动都大差不差所以我利用我的成品来给大家讲解下面三个黄色的插座是XT-30母座中间的是电池供电从主板那边引过来的供电口给的是电池电压这部分供电一方面给电机驱动芯片作为栅极驱动供电另一部分直接经过H桥PWM驱动出脉动直流电给电机左右两边的插座是接电机线的并且各有四个MOS管环绕其左右这就是H桥的主功率回路中间则是缓冲芯片和DRV8701和外围电路这个板子的方案已经很成熟了最难的是焊接测试的部分对于焊接别的没什么说就是DRV比较难焊为了节省时间最好让厂子给贴片等对于测试我们的步骤是先测试好主板/学习板的信号线输出我们用到四路信号分别为DIR1、PWM1、DIR2、PWM2使用示波器测试好这几个引脚正常之后就可以接到电机驱动板了给电机驱动板接上信号线如图中是中间白色的排座从左到右分别是DIR1PWM1DIR2PWM2GND5V辅助供电然后把中间的供电插上先不接电机上电用示波器测试两端电机线接口的波形正常波形应该是一个明显的周期性方波辐值为略大于电池电压并且清晰分明测试正常以后接电机就可以正常转了更多的内容我后续会补充更新感谢各位读者