這篇文章來分享下，在ROS學(xué)習(xí)平臺中常常使用到的直流電機(jī)控制原理與驅(qū)動電路。

在使用ROS機(jī)器人構(gòu)建地圖的過程中，需要在房間內(nèi)自主運(yùn)行，采集地圖信息。 這個過程中需要控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)機(jī)器人直行，轉(zhuǎn)彎等動作。

正反轉(zhuǎn)控制原理

有刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)非常簡單，只需要交換電機(jī)供電線正負(fù)極，便可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。 在自動控制系統(tǒng)中，我們不可能手動去不停交換電機(jī)正負(fù)極供電順序，需要使用程序配合硬件電路去實(shí)現(xiàn)。

如下圖所示，使用4個功率管（可以為MOS管或者IGBT）搭建成橋式電路，在橋臂中心引出兩根導(dǎo)線，連接到電機(jī)的供電引腳上。

當(dāng)使用單片機(jī)控制Q2,Q3導(dǎo)通，Q1,Q4截止時。 電流經(jīng)過過電源正極，經(jīng)過Q3，電機(jī)線圈，Q2流到GND。 假設(shè)這種狀態(tài)時電機(jī)正轉(zhuǎn)。

當(dāng)使用單片機(jī)控制Q1,Q4導(dǎo)通，Q2,Q3截止時。 電流經(jīng)過過電源正極，經(jīng)過Q1，電機(jī)線圈，Q4流到GND。 假設(shè)這種狀態(tài)時電機(jī)反轉(zhuǎn)。

通過橋式電路的兩種狀態(tài)切換便可以輕松實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。 對于有刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制還可以使用2個繼電器簡單實(shí)現(xiàn)，但是這種方式不便于調(diào)速控制，這里就不介紹了。

直流有刷電機(jī)調(diào)速原理

根據(jù)電機(jī)電壓平衡方程

從公式中可以看出電機(jī)轉(zhuǎn)速n和供電電壓成正比。 所以通過改變電機(jī)供電電壓可以達(dá)到到調(diào)速的目的。

在電力電子中可以通過PWM波控制開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)閉來調(diào)制直流電壓。 并且調(diào)制電壓滿足關(guān)系Vout=D*Vin,式中D為PWM波的占空比，等于在一個PWM周期內(nèi)高電平持續(xù)的時間與PWM周期的比值。

調(diào)速方法：在進(jìn)行晶體管控制時，可以選擇不同的三種斬波方式HPWM-LON,HON-LPWM,PWM-ON-PWM。 我通常使用的為HPWM-LON方式即上管PWM，下管導(dǎo)通。

直流有刷電機(jī)驅(qū)動電路

H橋電路采用4顆大電流NMOS管，柵極100歐姆電阻起到抑制浪涌電流的作用，10K電阻組成柵源寄生電容泄放回路，柵極二極管提供一個低阻抗MOS管關(guān)斷路徑，加快MOS管關(guān)斷。 （電路中元件參數(shù)看根據(jù)實(shí)際PCB進(jìn)行調(diào)整）

半橋驅(qū)動電路，當(dāng)MOS管柵源電壓高于閾值電壓時MOS管開始導(dǎo)通，IRF3710的閾值電壓為4V。 但是只是使用4V電壓進(jìn)行驅(qū)動MOS管時，MOS管Rds比較大，MOS管不能流過過大電流，如下圖所示：

從圖中可以看出，隨著柵源電壓的增大MOS管的通流能力也就隨著增大。 所以在驅(qū)動器設(shè)計(jì)過程中，我使用了12V電源作為MOS管的驅(qū)動，當(dāng)MOS管導(dǎo)通時，MOS能夠有很小的Rds,使MOS管有更大的通流能力。

電路中C7作為自舉電容，當(dāng)驅(qū)動H橋電路中的上橋臂時，由于上橋MOS管源級踩在較高的電壓上（24V），所以MOS管G極電壓應(yīng)該比源極高12V時才能夠?qū)ǎ╒gs=36V）,這里利用電容兩端電壓不能突變的特性，半橋驅(qū)動芯片內(nèi)部電路將MOS管柵極抬升至36V，此時MOS柵源電壓滿足導(dǎo)通條件。 由于自舉電容C7需要不斷地間隔進(jìn)行充電，也就導(dǎo)致了此種電路PWM占空比不能達(dá)到100%，在編程時需要特別注意。

光偶隔離電路，使用光耦器件將驅(qū)動器與主控進(jìn)行電氣隔離，防止電機(jī)驅(qū)動器對主控制器的干擾。