IR2104芯片驅動(dòng)電路實(shí)現智能車(chē)差速控制方案

　　由于本人主要是搞軟件的，所以硬件方面不是很了解，但是為了更好地相互學(xué)習，僅此整理出一份總結出來(lái)，有什么錯誤的地方還請大家積極的指出!供大家一起參考研究！

　　我們做的智能小車(chē)，要想出色的完成一場(chǎng)比賽，需要出色的控制策略!就整個(gè)智能車(chē)這個(gè)系統而言，我們的被控對象無(wú)外乎舵機和電機兩個(gè)!通過(guò)對舵機的控制能夠讓我們的小車(chē)實(shí)時(shí)的糾正小車(chē)在賽道上的位置，完成轉向!當然那些和我一樣做平衡組的同學(xué)不必考慮舵機的問(wèn)題!而電機是小車(chē)完成比賽的動(dòng)力保障，同時(shí)平衡組的同學(xué)也需要通過(guò)對兩路電機的差速控制，來(lái)控制小車(chē)的方向!所以選一個(gè)好的電機驅動(dòng)電路非常必要!

　　常用的電機驅動(dòng)有兩種方式：一、采用集成電機驅動(dòng)芯片;二、采用MOSFET和專(zhuān)用柵極驅動(dòng)芯片自己搭。集成主要是飛思卡爾自己生產(chǎn)的33886芯片，還有就是L298芯片，其中298是個(gè)很好的芯片，其內部可以看成兩個(gè)H橋，可以同時(shí)驅動(dòng)兩路電機，而且它也是我們驅動(dòng)步進(jìn)電機的一個(gè)良選!由于他們的驅動(dòng)電流較小(33886最大5A持續工作，298最大2A持續工作)，對于我們智能車(chē)來(lái)說(shuō)不足以滿(mǎn)足，但是電子設計大賽的時(shí)候可能會(huì )用到!所以想要詳細了解他們的同學(xué)可以去查找他們的數據手冊!在此只是提供他們的電路圖，不作詳細介紹!

　　33886運用電路圖

　　下面著(zhù)重介紹我們智能車(chē)可能使用的驅動(dòng)電路。普遍使用的是英飛凌公司的半橋驅動(dòng)芯片BTS7960搭成全橋驅動(dòng)。其驅動(dòng)電流約43A，而其升級產(chǎn)品BTS7970驅動(dòng)電流能夠達到70幾安培!而且也有其可替代產(chǎn)品BTN7970，它的驅動(dòng)電流最大也能達七十幾安!其內部結構基本相同如下：

　　每片芯片的內部有兩個(gè)MOS管，當IN輸入高電平時(shí)上邊的MOS管導通，常稱(chēng)為高邊MOS管，當IN輸入低電平時(shí)，下邊的MOS管導通，常稱(chēng)為低邊MOS管;當INH為高電平時(shí)使能整個(gè)芯片，芯片工作;當INH為低電平時(shí)，芯片不工作。其典型運用電路圖如下圖所示：

　　EN1和EN2一般使用時(shí)我們直接接高電平，使整個(gè)電路始終處于工作狀態(tài)!

　　下面就是怎么樣用該電路使得電機正反轉?假如當PWM1端輸入PWM波，PWM2端置0，電機正轉;那么當PWM1端為0，PWM2端輸入PWM波時(shí)電機將反轉!使用此方法需要兩路PWM信號來(lái)控制一個(gè)電機，光電平衡組的同學(xué)更是需要4路!有點(diǎn)浪費!其實(shí)可以只用一路PWM接PWM1端，另外PWM2端可以接在IO端口上，用于控制方向!假如PWM2=0;PWM1輸入信號時(shí)電機正轉，那么當PWM2=1是，PWM1輸入信號電機反轉(必須注意：此時(shí)PWM信號輸入的是其對應的負占空比)!

　　對于以上的電路，今年的電磁組A車(chē)和光電組D車(chē)來(lái)說(shuō)，其驅動(dòng)電流已經(jīng)能夠滿(mǎn)足，但是對于今年的攝像頭組的B車(chē)模來(lái)說(shuō)，可能有點(diǎn)吃力，B車(chē)的電機功率很大，雖然正常正轉時(shí)的電流不是很大，但是當我們加上我們的速度控制策略的時(shí)候，很多時(shí)候車(chē)子是在不停的加減速，這就需要電機不停的正反轉，此時(shí)的電流很大，還用以上的驅動(dòng)電路，芯片會(huì )很燙!!這個(gè)時(shí)候就需要我們自己用MOSFET和柵極驅動(dòng)芯片自己設計H橋!

　　首先以學(xué)校提供給大家實(shí)驗的驅動(dòng)板上的電路圖來(lái)簡(jiǎn)單介紹基本原理：

　　首先需要我們了解的是TC4427是一個(gè)1.5A雙通道高速的MOSFET驅動(dòng)器，顧名思義，其內部有兩路同相驅動(dòng)電路A和B。

　　上面的電路中4905是P溝道，3205是N溝道，大家都學(xué)過(guò)數電模電，即使沒(méi)有學(xué)過(guò)他們的導通條件也都應該了解!現假設PWM2=0，即Q2導通，Q4不導通!那么當PWM1=1時(shí)，Q1不導通，Q3導通，電流的方向為Q2—電機—Q3，電機正轉，當PWM1=0時(shí)，Q1導通，Q3不導通，即上橋臂導通，電機處于能耗制動(dòng)狀態(tài)!

　　同理不難得出：當PWM1=0是，PWM2=1時(shí)，電機反轉;PWM2=0是下橋臂導通，電機處于能耗制動(dòng)狀態(tài)!上面電路中的電阻電容R1和C1并聯(lián)接地，R2和C2并聯(lián)接地，主要作用是構成阻容濾波，濾除尖脈沖!有時(shí)為了進(jìn)一步的擴大驅動(dòng)電流，還常常兩兩并聯(lián)，用兩片3205并聯(lián)成一片，兩片4905并聯(lián)成一片!組成的H橋的驅動(dòng)電路電流將更大!

　　其實(shí)TC4427只是兩路同相的驅動(dòng)器，買(mǎi)過(guò)該芯片的同學(xué)可能知道，雖說(shuō)不貴，但是也需要9塊錢(qián)左右，而且用過(guò)該芯片的同學(xué)也可能有體會(huì )，該芯片不是太好，有時(shí)會(huì )出現一個(gè)方向可以轉，另一個(gè)方向不可以轉的情況，我們是不是可以用其他既廉價(jià)又有同樣效果的芯片代替呢?其實(shí)我們可以想到的是我們常用的74LS00，沒(méi)錯，就是與非門(mén)，用它接成兩路同相的驅動(dòng)器，該電路同樣好用，我所知道的隊伍中有人在用!

　　通過(guò)對上面電路的了解，大家應該大致了解了H橋的基本工作原理，有沒(méi)有更好地驅動(dòng)電路了呢?答案是肯定的!以下是直流電動(dòng)機的機械特性表達式：

　　n是電機的轉速，NU是電機的兩端的電壓，eC、TC、Nφ對于我們來(lái)說(shuō)可以看成一個(gè)定值，emT是負載轉矩，車(chē)做好之后該值基本確定不變，剩下一個(gè)重要的參數aR電機電樞回路的阻值，電機本身的內阻很小，如果外部引入的電阻過(guò)大，此時(shí)直流電動(dòng)機轉速降落較大，驅動(dòng)電路效率較低，電機性能不能充分發(fā)揮。為了提高電機的轉速我們應該盡量減小電機電樞回路繞組的阻值，我們知道：N溝道的MOSFET具有極低的導通電阻，IRF3205導通電阻在8m?左右，而IRF4905幾乎是其兩倍，那么是不是可以考慮全部使用N溝道的3205來(lái)搭我們的驅動(dòng)電路呢，答案也是肯定的，只不過(guò)需要換一片柵極驅動(dòng)芯片就行!

　　在這里給大家介紹的是IR公司的IR2104，因為IR公司號稱(chēng)功率半導體領(lǐng)袖，當然2104也相對比較便宜!IR2104可以驅動(dòng)可以驅動(dòng)高端和低端兩個(gè)N溝道MOSFET，能提供較大的柵極驅動(dòng)電流，并具有硬件死區、硬件防同臂導通等功能。使用兩片IR2104型半橋驅動(dòng)芯片可以組成完整的直流電機H橋式驅動(dòng)電路。但是需要12V驅動(dòng)!

　　IR2104基本應用電路：

　　SD信號時(shí)一個(gè)使能信號，跟前面的BTS的INH信號輸入端類(lèi)似，高電平有效，芯片工作，IN為高電平時(shí)HO為高，LO為低，IN為低電平時(shí)，HO為低，LO為高電平!

　　關(guān)于其中關(guān)鍵參數的選擇：

　　這個(gè)驅動(dòng)設計單從信號邏輯上分析比較容易理解，但要深入的理解和更好的應用，就需要對電路做較深入的分析，對一些外圍元件的參數確定做理論分析計算。圖中IC是一個(gè)高壓驅動(dòng)芯片,驅動(dòng)1個(gè)半橋MOSFET。Vb,Vs為高壓端供電;Ho為高壓端驅動(dòng)輸出;COM為低壓端驅動(dòng)供電,Lo為低壓端驅動(dòng)輸出;Vss為數字電路供電.此半橋電路的上下橋臂是交替導通的,每當下橋臂開(kāi)通,上橋臂關(guān)斷時(shí)Vs腳的電位為下橋臂功率管Q2的飽和導通壓降,基本上接近地電位,此時(shí)Vcc通過(guò)自舉二極管D對自舉電容C2充電使其接近Vcc電壓。當Q2關(guān)斷時(shí)Vs端的電壓就會(huì )升高,由于電容兩端的電壓不能突變,因此Vb端的電平接近于Vs和Vcc端電壓之和,而Vb和Vs之間的電壓還是接近Vcc電壓。當Q2開(kāi)通時(shí),C2作為一個(gè)浮動(dòng)的電壓源驅動(dòng)Q2;而C2在Q2開(kāi)通其間損失的電荷在下一個(gè)周期又會(huì )得到補充,這種自舉供電方式就是利用Vs端的電平在高低電平之間不停地擺動(dòng)來(lái)實(shí)現的.由于自舉電路無(wú)需浮動(dòng)電源,因此是最便宜的，如圖所示自舉電路給一只電容器充電，電容器上的電壓基于高端輸出晶體管源極電壓上下浮動(dòng)。圖中的D和C2是IR2104在脈寬調制(PWM)應用時(shí)應嚴格挑選和設計的元器件,根據一定的規則進(jìn)行計算分析;并在電路實(shí)驗時(shí)進(jìn)行調整,使電路工作處于最佳狀態(tài)，其中D是一個(gè)重要的自舉器件,應能阻斷直流干線(xiàn)上的高壓,其承受的電流是柵極電荷與開(kāi)關(guān)頻率之積,為了減少電荷損失,應選擇反向漏電流小的快恢復二極管，芯片內高壓部分的供電都來(lái)自圖中自舉電容C2上的電荷;為保證高壓部分電路有足夠的能量供給，應適當選取C2的大小。

　　供參考的電路，其中的參數參考北科大技術(shù)報告：

　　其工作的原理在此不在贅述僅提供其工作的真值表，如下：

　　IR2104比較便宜，有錢(qián)的同學(xué)可以再去研究研究TD340，基本原理都是大同小異!