IR2104芯片驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)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(xí)，僅此整理出一份總結(jié)出來(lái)，有什么錯(cuò)誤的地方還請(qǐng)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(tǒng)而言，我們的被控對(duì)象無(wú)外乎舵機(jī)和電機(jī)兩個(gè)!通過(guò)對(duì)舵機(jī)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(zhuǎn)向!當(dāng)然那些和我一樣做平衡組的同學(xué)不必考慮舵機(jī)的問(wèn)題!而電機(jī)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(duì)兩路電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路非常必要!

　　常用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)有兩種方式：一、采用集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片;二、采用MOSFET和專用柵極驅(qū)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(nèi)部可以看成兩個(gè)H橋，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路電機(jī)，而且它也是我們驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)良選!由于他們的驅(qū)動(dòng)電流較小(33886最大5A持續(xù)工作，298最大2A持續(xù)工作)，對(duì)于我們智能車(chē)來(lái)說(shuō)不足以滿足，但是電子設(shè)計(jì)大賽的時(shí)候可能會(huì)用到!所以想要詳細(xì)了解他們的同學(xué)可以去查找他們的數(shù)據(jù)手冊(cè)!在此只是提供他們的電路圖，不作詳細(xì)介紹!

　　33886運(yùn)用電路圖

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

　　每片芯片的內(nèi)部有兩個(gè)MOS管，當(dāng)IN輸入高電平時(shí)上邊的MOS管導(dǎo)通，常稱為高邊MOS管，當(dāng)IN輸入低電平時(shí)，下邊的MOS管導(dǎo)通，常稱為低邊MOS管;當(dāng)INH為高電平時(shí)使能整個(gè)芯片，芯片工作;當(dāng)INH為低電平時(shí)，芯片不工作。其典型運(yùn)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(jī)正反轉(zhuǎn)?假如當(dāng)PWM1端輸入PWM波，PWM2端置0，電機(jī)正轉(zhuǎn);那么當(dāng)PWM1端為0，PWM2端輸入PWM波時(shí)電機(jī)將反轉(zhuǎn)!使用此方法需要兩路PWM信號(hào)來(lái)控制一個(gè)電機(jī)，光電平衡組的同學(xué)更是需要4路!有點(diǎn)浪費(fèi)!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(hào)時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，那么當(dāng)PWM2=1是，PWM1輸入信號(hào)電機(jī)反轉(zhuǎn)(必須注意：此時(shí)PWM信號(hào)輸入的是其對(duì)應(yīng)的負(fù)占空比)!

　　對(duì)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(qū)動(dòng)電流已經(jīng)能夠滿足，但是對(duì)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(jī)功率很大，雖然正常正轉(zhuǎn)時(shí)的電流不是很大，但是當(dāng)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(jī)不停的正反轉(zhuǎn)，此時(shí)的電流很大，還用以上的驅(qū)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(qū)動(dòng)芯片自己設(shè)計(jì)H橋!

　　首先以學(xué)校提供給大家實(shí)驗(yàn)的驅(qū)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(qū)動(dòng)器，顧名思義，其內(nèi)部有兩路同相驅(qū)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(shù)電模電，即使沒(méi)有學(xué)過(guò)他們的導(dǎo)通條件也都應(yīng)該了解!現(xiàn)假設(shè)PWM2=0，即Q2導(dǎo)通，Q4不導(dǎo)通!那么當(dāng)PWM1=1時(shí)，Q1不導(dǎo)通，Q3導(dǎo)通，電流的方向?yàn)镼2—電機(jī)—Q3，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)PWM1=0時(shí)，Q1導(dǎo)通，Q3不導(dǎo)通，即上橋臂導(dǎo)通，電機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài)!

　　同理不難得出：當(dāng)PWM1=0是，PWM2=1時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn);PWM2=0是下橋臂導(dǎo)通，電機(jī)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(gòu)成阻容濾波，濾除尖脈沖!有時(shí)為了進(jìn)一步的擴(kuò)大驅(qū)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(qū)動(dòng)電路電流將更大!

　　其實(shí)TC4427只是兩路同相的驅(qū)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(xiàn)一個(gè)方向可以轉(zhuǎn)，另一個(gè)方向不可以轉(zhuǎn)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(cuò)，就是與非門(mén)，用它接成兩路同相的驅(qū)動(dòng)器，該電路同樣好用，我所知道的隊(duì)伍中有人在用!

　　通過(guò)對(duì)上面電路的了解，大家應(yīng)該大致了解了H橋的基本工作原理，有沒(méi)有更好地驅(qū)動(dòng)電路了呢?答案是肯定的!以下是直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式：

　　n是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，NU是電機(jī)的兩端的電壓，eC、TC、Nφ對(duì)于我們來(lái)說(shuō)可以看成一個(gè)定值，emT是負(fù)載轉(zhuǎn)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(shù)aR電機(jī)電樞回路的阻值，電機(jī)本身的內(nèi)阻很小，如果外部引入的電阻過(guò)大，此時(shí)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降落較大，驅(qū)動(dòng)電路效率較低，電機(jī)性能不能充分發(fā)揮。為了提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速我們應(yīng)該盡量減小電機(jī)電樞回路繞組的阻值，我們知道：N溝道的MOSFET具有極低的導(dǎo)通電阻，IRF3205導(dǎo)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(qū)動(dòng)電路呢，答案也是肯定的，只不過(guò)需要換一片柵極驅(qū)動(dòng)芯片就行!

　　在這里給大家介紹的是IR公司的IR2104，因?yàn)镮R公司號(hào)稱功率半導(dǎo)體領(lǐng)袖，當(dāng)然2104也相對(duì)比較便宜!IR2104可以驅(qū)動(dòng)可以驅(qū)動(dòng)高端和低端兩個(gè)N溝道MOSFET，能提供較大的柵極驅(qū)動(dòng)電流，并具有硬件死區(qū)、硬件防同臂導(dǎo)通等功能。使用兩片IR2104型半橋驅(qū)動(dòng)芯片可以組成完整的直流電機(jī)H橋式驅(qū)動(dòng)電路。但是需要12V驅(qū)動(dòng)!

　　IR2104基本應(yīng)用電路：

　　SD信號(hào)時(shí)一個(gè)使能信號(hào)，跟前面的BTS的INH信號(hào)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(shù)的選擇：

　　這個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)單從信號(hào)邏輯上分析比較容易理解，但要深入的理解和更好的應(yīng)用，就需要對(duì)電路做較深入的分析，對(duì)一些外圍元件的參數(shù)確定做理論分析計(jì)算。圖中IC是一個(gè)高壓驅(qū)動(dòng)芯片,驅(qū)動(dòng)1個(gè)半橋MOSFET。Vb,Vs為高壓端供電;Ho為高壓端驅(qū)動(dòng)輸出;COM為低壓端驅(qū)動(dòng)供電,Lo為低壓端驅(qū)動(dòng)輸出;Vss為數(shù)字電路供電.此半橋電路的上下橋臂是交替導(dǎo)通的,每當(dāng)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(dǎo)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(duì)自舉電容C2充電使其接近Vcc電壓。當(dāng)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(dāng)Q2開(kāi)通時(shí),C2作為一個(gè)浮動(dòng)的電壓源驅(qū)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(bǔ)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?cái)[動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)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(diào)制(PWM)應(yīng)用時(shí)應(yīng)嚴(yán)格挑選和設(shè)計(jì)的元器件,根據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行計(jì)算分析;并在電路實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行調(diào)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(yīng)能阻斷直流干線上的高壓,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(yīng)選擇反向漏電流小的快恢復(fù)二極管，芯片內(nèi)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(yīng)適當(dāng)選取C2的大小。

　　供參考的電路，其中的參數(shù)參考北科大技術(shù)報(bào)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!