1、直流電機(jī)簡(jiǎn)介

2、設(shè)計(jì)中的三個(gè)關(guān)注點(diǎn)

3、H橋電路

4、驅(qū)動(dòng)芯片選擇時(shí)考慮的問(wèn)題

5、L298芯片及驅(qū)動(dòng)模塊

6、電機(jī)正反轉(zhuǎn)程序

7、雙電機(jī)差速轉(zhuǎn)向的原理

8、利用差速實(shí)現(xiàn)小原原地打轉(zhuǎn)程序

 

1、直流電機(jī)簡(jiǎn)介

直流電機(jī)是智能小車(chē)及機(jī)器人制作必不可少的組成部分，它主要作用是為系統(tǒng)提供必須的驅(qū)動(dòng)力，用以實(shí)現(xiàn)其各種運(yùn)動(dòng)。目前市面的直流電機(jī)主要分為普通電機(jī)和帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的直流減速電機(jī)。如圖1和圖2所示。

 

 

      圖1 日本馬步奇高速電機(jī)RS380                                                   圖2 N20減速直流電機(jī)

 

對(duì)于不太追求速度的場(chǎng)合應(yīng)優(yōu)先選用減速直流電機(jī)，如足球機(jī)器和滅火機(jī)器人等追求功能而對(duì)速度要求不高的場(chǎng)合，如圖3，此車(chē)的傳動(dòng)比通常為幾十到幾百左右。一般對(duì)同一型號(hào)的減速電機(jī)，廠(chǎng)家都會(huì)提供多種傳動(dòng)比的產(chǎn)品提供給用戶(hù)，應(yīng)根據(jù)需要加以選擇。

 

 

圖3 普通減速電機(jī)應(yīng)用

而對(duì)于普通直流電機(jī)，由于轉(zhuǎn)速比較高，具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)加齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)然也可以直接選擇減速直流電機(jī)，但如果對(duì)于一些速度要求比較高的應(yīng)用，如飛思卡爾智能車(chē)車(chē)模，由于該比賽屬于競(jìng)速賽，對(duì)速度要求比較高，市面上一般很難找到合適的減速電機(jī)，此時(shí)就需要自己設(shè)計(jì)減速機(jī)構(gòu)，如圖4為飛思卡爾的電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)圖，此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比為1：10左右，使得小車(chē)在空載的情況下可達(dá)到上千轉(zhuǎn)。

 

 

圖4 飛思卡爾智能車(chē)B車(chē)模

無(wú)論是普通直流電機(jī)還是減速電機(jī)，其電機(jī)部分目前基本都是無(wú)刷直流電機(jī)，關(guān)于什么叫無(wú)電機(jī)以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何，這里我們不去深究，下面重點(diǎn)介紹一下直流電機(jī)在實(shí)際使用過(guò)程在硬件的設(shè)計(jì)及軟件的編寫(xiě)中應(yīng)當(dāng)關(guān)注的三個(gè)方面，這里的前提是你已經(jīng)根據(jù)需要選擇好了合適傳動(dòng)比的電機(jī)。

2、設(shè)計(jì)中的三個(gè)關(guān)注點(diǎn)

1）          如何增大驅(qū)動(dòng)

2）          如何實(shí)現(xiàn)換向

3）          如何實(shí)現(xiàn)調(diào)速

對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，主要原因是電機(jī)屬于大功率的器件，而單片機(jī)的I/O口所提供的電流往往十萬(wàn)有限，所以必須外加驅(qū)動(dòng)電路，比如說(shuō)由三極管組成放大電路。

對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，直流電機(jī)的方向改變需要改變電機(jī)的極性，即正負(fù)反接，但目前大多數(shù)機(jī)器人制作中使用的是直流無(wú)刷電機(jī)，由于沒(méi)有電刷，而供電電源通常又為單電源，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)電子開(kāi)關(guān)以實(shí)現(xiàn)換向功能。

對(duì)于第三個(gè)問(wèn)題，機(jī)器人是一個(gè)需適應(yīng)不同環(huán)境的智能體，其運(yùn)動(dòng)速度需要不斷的改變，此時(shí)就需要想法設(shè)計(jì)相應(yīng)電路以實(shí)現(xiàn)調(diào)速度。

上面的三個(gè)問(wèn)題是電機(jī)控制中必須要考慮的問(wèn)題，可以通過(guò)硬件的方法實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)軟件的方法實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也可以采取硬軟結(jié)合的方法解決。目前比較通用的方法是，設(shè)計(jì)H橋電路和利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波信號(hào)。

H橋電路是用硬件的方法設(shè)計(jì)一個(gè)電路，它可以解決前面兩個(gè)問(wèn)題。而第三個(gè)問(wèn)題速度的調(diào)節(jié)則是通過(guò)軟件的方法，利用單片機(jī)I/O口生產(chǎn)PWM波信號(hào)加以實(shí)現(xiàn)。

這一節(jié)我們主要介紹H橋電路，后面的章節(jié)我們會(huì)專(zhuān)門(mén)介紹到PWM調(diào)速問(wèn)題。

3、H橋電路

電機(jī)做好后后引出兩個(gè)極，如圖5所示，給兩個(gè)極能電就能夠?qū)崿F(xiàn)其轉(zhuǎn)動(dòng)，而改變其電源極性剛可以實(shí)現(xiàn)換向。

 

 

圖5 減速電機(jī)及電路圖

前面我們說(shuō)過(guò)必須要解決驅(qū)動(dòng)力不足和換向問(wèn)題，設(shè)計(jì)一般會(huì)采用兩種方法，一是設(shè)計(jì)由分離元件組成的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)，另一種方法則是采用專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)芯片加以實(shí)現(xiàn)。由于專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)芯片由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、可靠性高等特點(diǎn)，因而被廣泛的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片很多如L298N、BST7970、MC33886等，這里我們介紹智能機(jī)器人中比較常用的LM298N驅(qū)動(dòng)模塊，BST7970、MC33886一般在電機(jī)功率比較大的場(chǎng)合適用。在介紹LM298N驅(qū)動(dòng)模塊之前，我們先介紹一下H橋電路，需要說(shuō)明的是時(shí)，在下面的電路由于內(nèi)部采用了三極管，三極管本身起到放大的作用，即增大了驅(qū)動(dòng)電流，所以在下面的講解中我們主要側(cè)重講解如何實(shí)現(xiàn)換向功能。

H橋電路可以用如圖6來(lái)表示其原理：

 

 

從圖中可以看出，其形狀類(lèi)似于字母“H”,作為負(fù)載的直流電機(jī)像“橋”一樣架在上面，所以稱(chēng)為“H橋驅(qū)動(dòng)”，4個(gè)開(kāi)關(guān)所在的位置就稱(chēng)為“橋臂”。

 

從圖中可以看出，假設(shè)開(kāi)關(guān)A、D接通，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，而開(kāi)關(guān)B、C接通時(shí)，直流電機(jī)將反向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的正反控制。當(dāng)然實(shí)際應(yīng)用中我們還可以得到其它兩種狀態(tài):

1）剎車(chē)，即將A、C或B、D接通，則電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)將被短路，形成阻礙運(yùn)動(dòng)的感應(yīng)電流，開(kāi)成“剎車(chē)”作用。

2）惰行，4個(gè)開(kāi)關(guān)全部斷開(kāi)，則電機(jī)慣性所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)將無(wú)法開(kāi)成電路，從而也就不會(huì)產(chǎn)生阻礙運(yùn)動(dòng)的感應(yīng)電流，電機(jī)將慣性轉(zhuǎn)動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間。

以上電路只是說(shuō)明的原理，實(shí)際電路中我們通常將來(lái)四個(gè)開(kāi)關(guān)換成三極管。如圖7所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線(xiàn)上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。由于H橋電路可以很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)因而得到了廣泛應(yīng)用。

 

 

圖7 典型的H橋電路

要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線(xiàn)上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如，如圖圖8所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖9所示為另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流從右至左流過(guò)電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

這里需要注意的是，電機(jī)一般會(huì)引出兩個(gè)極，但并無(wú)正負(fù)之分，所謂的正反轉(zhuǎn)也只是我們?nèi)藶槎�義，具體要看實(shí)際的應(yīng)用和安裝情況。

 

 

圖8 電機(jī)正轉(zhuǎn)                           圖9 電機(jī)反轉(zhuǎn)

 

驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證H橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要，如果三極管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過(guò)兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極，此時(shí)電路中除了三極管外沒(méi)有其它任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管。基于上述原因，在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開(kāi)關(guān)。

     圖10所示就是基于這種考慮的改進(jìn)電路，它在基本的H橋電路的基礎(chǔ)上增加了4個(gè)與門(mén)和2個(gè)非門(mén)。4個(gè)與門(mén)同一個(gè)使能導(dǎo)通信號(hào)相接，這樣，用這一個(gè)信號(hào)就能控制整個(gè)電路的開(kāi)關(guān)。而2個(gè)非門(mén)通過(guò)提供一種方向輸入，可以保證任何時(shí)候在H橋的同側(cè)都只有一個(gè)三極管導(dǎo)通。

 

 
圖10 改進(jìn)后的H橋驅(qū)動(dòng)電路

采用以上方法，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)只需要三個(gè)信號(hào)控制，如圖11：兩個(gè)方向信號(hào)和一個(gè)使能信號(hào)。如果DIR－L信號(hào)為0，DIR－R信號(hào)為1，并且使能信號(hào)是1，那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機(jī)，如圖6 所示；如果DIR－L信號(hào)變?yōu)?，而DIR－R信號(hào)變?yōu)?。那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過(guò)電機(jī)。

 

 

圖11 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的信號(hào)示意圖

4、驅(qū)動(dòng)芯片選擇時(shí)考慮的問(wèn)題

H橋電路雖然有著許多的優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際的制作過(guò)程中，由于元件較多，電路和搭建也較為麻煩，增加了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。所絕大多數(shù)制作中通常直接選用專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)芯片。目前市面上專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)芯片很多，如上面提到的L298N、BST7970、MC33886等，但到底我們應(yīng)該選用哪咱芯片呢，當(dāng)然每種芯片有自己的優(yōu)勢(shì)，我們應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)需要從價(jià)格和性能上綜合考慮才行，這里談三個(gè)方面。

1）驅(qū)動(dòng)效率的轉(zhuǎn)化

所謂驅(qū)動(dòng)效率高，就是要將輸入的能量盡量多的輸出給負(fù)載，而驅(qū)動(dòng)電路本身最好不消耗或少消耗能量，具體到H橋上，也就是4個(gè)橋臂在導(dǎo)通時(shí)最好沒(méi)有壓降，越小越好。從電路上看，這主要取決于“開(kāi)關(guān)”上的壓降，其消耗為流過(guò)的電流乘以壓降，電流大小主要取決于負(fù)載電機(jī)的需要，所以對(duì)于設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)重點(diǎn)應(yīng)考慮盡量減小開(kāi)關(guān)上的電阻從而提高效率，而在選用驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮所選用的芯片壓降是否滿(mǎn)足電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的需要，像參加過(guò)飛思卡爾智能車(chē)的朋友應(yīng)該清楚，一般很少有人選擇L298N芯片的，究其原因就是298N的自身壓降太大造成功率消耗太大而不滿(mǎn)足電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要造成的。

2）能夠通過(guò)的驅(qū)動(dòng)電流

每個(gè)芯片都有自身承受的最大電流，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證電機(jī)的工作電流不會(huì)造成芯片的燒毀，像智能車(chē)制作過(guò)程中，電機(jī)的電流可以達(dá)到4－5A，而L298最大承受的電流不能超過(guò)2A，所以這也是一般不采用298N作為驅(qū)動(dòng)芯片的另一個(gè)原因。

3）芯片的價(jià)格

對(duì)于器件的價(jià)格，一般在業(yè)余的制作基本不會(huì)考慮太多，但真正在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，價(jià)格卻是除了性能外必須考慮的另一個(gè)關(guān)鍵因素，像剛剛上面提到了L298N由于自身壓降太大，所承受的電流太少，所以不滿(mǎn)足智能車(chē)電機(jī)的需要，所以有的朋友會(huì)說(shuō)，298N芯片不好，不能說(shuō)不好，要知道從價(jià)格上7970是298的3倍之多，像做一般速度比較低的機(jī)器人，298芯片完全能夠滿(mǎn)足要求。

綜上所述，在選擇驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)從價(jià)格、驅(qū)動(dòng)電流及壓降等方面給合考慮。

5、L298芯片及驅(qū)動(dòng)模塊

L298N內(nèi)部的組成其就是上面講的H橋驅(qū)動(dòng)電路，所以工作原理我以上介紹的H橋相同，這里我們不在敘述，在使用時(shí)重點(diǎn)要了解其引腳的功能和主要的性能參數(shù)。引腳圖如圖12所示。

 

圖12 L298N的引腳圖

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓，大電流的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V，輸出電流大，瞬間峰值可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率為25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)、繼電器線(xiàn)圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)用控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)和四相步進(jìn)電機(jī)，也可以?xún)膳_(tái)直流電機(jī)。L298N模塊的驅(qū)動(dòng)電路圖如圖13所示。

 

 

圖13 L298N電路圖

 

對(duì)于以上電路圖有以下幾點(diǎn)說(shuō)明：

1）電路圖中有兩個(gè)電流，一路為L(zhǎng)298工作需要的5V電源VCC，一路為驅(qū)動(dòng)電機(jī)用的電池電源VSS。

2）1腳和15腳有的電路在中間串接了大功率的電阻，可以不加

3）八個(gè)續(xù)流二極管是為了消除電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的尖峰電壓保護(hù)電機(jī)而設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化電路可以不加。

4）6腳和11腳為兩路電機(jī)通道的使能開(kāi)關(guān)，高電平使能所以可以直接接高電平，也可以交由單片機(jī)控制。

5）由于工作時(shí)L298的功率較大，可以適當(dāng)加裝散熱片。

L298模塊的的外形圖如圖14所示：

 

 

圖14  L298N模塊外形圖

6、電機(jī)正反轉(zhuǎn)程序

下面寫(xiě)一個(gè)程序讓小車(chē)上一個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)。

#include<reg52.h>

 

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

 

sbit PWM1=P2^0;//接IN1 控制正轉(zhuǎn)

sbit PWM2=P2^1;//接IN2 控制反轉(zhuǎn)

 

void main()

{

      while(1)

      {

           PWM1=1;

           PWM2=0;           

      }              

}

 

下面寫(xiě)一個(gè)程序讓小車(chē)上兩個(gè)個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前行。

#include<reg52.h>

 

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

 

sbit PWM1=P2^0;//接IN1 控制正轉(zhuǎn)

sbit PWM2=P2^1;//接IN2 控制反轉(zhuǎn)

 

sbit PWM3=P2^2;//接IN1 控制正轉(zhuǎn)

sbit PWM4=P2^3;//接IN2 控制反轉(zhuǎn)

 

sbit PWM5=P2^4;//接IN1 控制正轉(zhuǎn)

sbit PWM6=P2^5;//接IN2 控制反轉(zhuǎn)

 

sbit PWM7=P2^6;//接IN1 控制正轉(zhuǎn)

sbit PWM8=P2^7;//接IN2 控制反轉(zhuǎn)

 

void main()

{

      while(1)

      {

           PWM1=1;

           PWM2=0;

           PWM3=1;

           PWM4=0;

 

           PWM5=1;

           PWM6=0;

           PWM7=1;

           PWM8=0;     

      }              

}

 

void delay(uint z)

{

      uint x,y;

      for(x=z;x>0;x--)

           for(y=500;y>0;y--);

}

7、雙電機(jī)差速轉(zhuǎn)向的原理

ZN-1A智能小車(chē)有兩種轉(zhuǎn)向的方式，差速轉(zhuǎn)向和舵機(jī)轉(zhuǎn)向。由于差速轉(zhuǎn)向目前市面上的資料和相關(guān)程序比較多，所以本教程絕大部分程序采用后輪驅(qū)動(dòng)，前輪舵機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的控制方式。這里簡(jiǎn)要介紹一下差速轉(zhuǎn)向的原理及方法，并給出一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，更復(fù)雜的程序請(qǐng)大家參考相關(guān)的資料，如可以利用ZN-1A智能小車(chē)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的直立運(yùn)動(dòng)，即兩輪直立前行，目前世界上比較風(fēng)行的兩輪直代步車(chē)就是利用這種形式實(shí)現(xiàn)，不過(guò)要要做兩輪直立時(shí)涉及到平衡的問(wèn)題，需對(duì)加速度計(jì)和陀螺儀的知道有所了解，有興趣 朋友可以利用本小車(chē)實(shí)現(xiàn)直立的功能，這里不多作介紹。

所謂的差速，是指左右兩車(chē)輪的速度差，假如左邊車(chē)輪比右邊的快，則小車(chē)會(huì)偏向右。同時(shí)，左的的車(chē)輪轉(zhuǎn)速比右的慢，那么小車(chē)會(huì)向左邊轉(zhuǎn)動(dòng)。目前主要有以下兩種方式。

（1）小車(chē)向左轉(zhuǎn)，可是是左輪停止，左輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)，這種方式實(shí)現(xiàn)小角度的轉(zhuǎn)彎，在角度不大時(shí)可采用此種方式。

（2）小車(chē)向左轉(zhuǎn)，可以是左輪反轉(zhuǎn)，右輪正轉(zhuǎn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)大角度的左轉(zhuǎn)，甚至可以進(jìn)行原地打轉(zhuǎn)。

同理可推出小車(chē)如何向右轉(zhuǎn)向。

下面給出一個(gè)利用后輪電機(jī)差事運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)小車(chē)原地打轉(zhuǎn)的程序。

8、利用差速實(shí)現(xiàn)小原原地打轉(zhuǎn)程序