IR2104芯片驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)智能車差速控制方案

　　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，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，要想出色的完成一場比賽，需要出色的控制策略!就整個智能車這個系統(tǒng)而言，我們的被控對象無外乎舵機(jī)和電機(jī)兩個!通過對舵機(jī)的控制能夠讓我們的小車實(shí)時的糾正小車在賽道上的位置，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)的問題!而電機(jī)是小車完成比賽的動力保障，同時平衡組的同學(xué)也需要通過對兩路電機(jī)的差速控制，來控制小車的方向!所以選一個好的電機(jī)驅(qū)動電路非常必要!

　　常用的電機(jī)驅(qū)動有兩種方式：一、采用集成電機(jī)驅(qū)動芯片;二、采用MOSFET和專用柵極驅(qū)動芯片自己搭。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是個很好的芯片，其內(nèi)部可以看成兩個H橋，可以同時驅(qū)動兩路電機(jī)，而且它也是我們驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的一個良選!由于他們的驅(qū)動電流較小(33886最大5A持續(xù)工作，298最大2A持續(xù)工作)，對于我們智能車來說不足以滿足，但是電子設(shè)計(jì)大賽的時候可能會用到!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!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可能使用的驅(qū)動電路。普遍使用的是英飛凌公司的半橋驅(qū)動芯片BTS7960搭成全橋驅(qū)動。其驅(qū)動電流約43A，而其升級產(chǎn)品BTS7970驅(qū)動電流能夠達(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MOS管，當(dāng)IN輸入高電平時上邊的MOS管導(dǎo)通，常稱為高邊MOS管，當(dāng)IN輸入低電平時，下邊的MOS管導(dǎo)通，常稱為低邊MOS管;當(dāng)INH為高電平時使能整個芯片，芯片工作;當(dāng)INH為低電平時，芯片不工作。其典型運(yùn)用電路圖如下圖所示：

　　EN1和EN2一般使用時我們直接接高電平，使整個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波時電機(jī)將反轉(zhuǎn)!使用此方法需要兩路PWM信號來控制一個電機(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輸入信號時電機(jī)正轉(zhuǎn)，那么當(dāng)PWM2=1是，PWM1輸入信號電機(jī)反轉(zhuǎn)(必須注意：此時PWM信號輸入的是其對應(yīng)的負(fù)占空比)!

　　對于以上的電路，今年的電磁組A車和光電組D車來說，其驅(qū)動電流已經(jīng)能夠滿足，但是對于今年的攝像頭組的B車模來說，可能有點(diǎn)吃力，B車的電機(jī)功率很大，雖然正常正轉(zhuǎn)時的電流不是很大，但是當(dāng)我們加上我們的速度控制策略的時候，很多時候車子是在不停的加減速，這就需要電機(jī)不停的正反轉(zhuǎn)，此時的電流很大，還用以上的驅(qū)動電路，芯片會很燙!!這個時候就需要我們自己用MOSFET和柵極驅(qū)動芯片自己設(shè)計(jì)H橋!

　　首先以學(xué)校提供給大家實(shí)驗(yàn)的驅(qū)動板上的電路圖來簡單介紹基本原理：

　　首先需要我們了解的是TC4427是一個1.5A雙通道高速的MOSFET驅(qū)動器，顧名思義，其內(nèi)部有兩路同相驅(qū)動電路A和B。

　　上面的電路中4905是P溝道，3205是N溝道，大家都學(xué)過數(shù)電模電，即使沒有學(xué)過他們的導(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，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，Q1導(dǎo)通，Q3不導(dǎo)通，即上橋臂導(dǎo)通，電機(jī)處于能耗制動狀態(tài)!

　　同理不難得出：當(dāng)PWM1=0是，PWM2=1時，電機(jī)反轉(zhuǎn);PWM2=0是下橋臂導(dǎo)通，電機(jī)處于能耗制動狀態(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!有時為了進(jìn)一步的擴(kuò)大驅(qū)動電流，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)動電路電流將更大!

　　其實(shí)TC4427只是兩路同相的驅(qū)動器，買過該芯片的同學(xué)可能知道，雖說不貴，但是也需要9塊錢左右，而且用過該芯片的同學(xué)也可能有體會，該芯片不是太好，有時會出現(xiàn)一個方向可以轉(zhuǎn)，另一個方向不可以轉(zhuǎn)的情況，我們是不是可以用其他既廉價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，沒錯，就是與非門，用它接成兩路同相的驅(qū)動器，該電路同樣好用，我所知道的隊(duì)伍中有人在用!

　　通過對上面電路的了解，大家應(yīng)該大致了解了H橋的基本工作原理，有沒有更好地驅(qū)動電路了呢?答案是肯定的!以下是直流電動機(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對于我們來說可以看成一個定值，emT是負(fù)載轉(zhuǎn)矩，車做好之后該值基本確定不變，剩下一個重要的參數(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大，此時直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速降落較大，驅(qū)動電路效率較低，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來搭我們的驅(qū)動電路呢，答案也是肯定的，只不過需要換一片柵極驅(qū)動芯片就行!

　　在這里給大家介紹的是IR公司的IR2104，因?yàn)镮R公司號稱功率半導(dǎo)體領(lǐng)袖，當(dāng)然2104也相對比較便宜!IR2104可以驅(qū)動可以驅(qū)動高端和低端兩個N溝道MOSFET，能提供較大的柵極驅(qū)動電流，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)動芯片可以組成完整的直流電機(jī)H橋式驅(qū)動電路。但是需要12V驅(qū)動!

　　IR2104基本應(yīng)用電路：

　　SD信號時一個使能信號，跟前面的BTS的INH信號輸入端類似，高電平有效，芯片工作，IN為高電平時HO為高，LO為低，IN為低電平時，HO為低，LO為高電平!

　　關(guān)于其中關(guān)鍵參數(shù)的選擇：

　　這個驅(qū)動設(shè)計(jì)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(yīng)用，就需要對電路做較深入的分析，對一些外圍元件的參數(shù)確定做理論分析計(jì)算。圖中IC是一個高壓驅(qū)動芯片,驅(qū)動1個半橋MOSFET。Vb,Vs為高壓端供電;Ho為高壓端驅(qū)動輸出;COM為低壓端驅(qū)動供電,Lo為低壓端驅(qū)動輸出;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)下橋臂開通,上橋臂關(guān)斷時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Vcc通過自舉二極管D對自舉電容C2充電使其接近Vcc電壓。當(dāng)Q2關(guān)斷時Vs端的電壓就會升高,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開通時,C2作為一個浮動的電壓源驅(qū)動Q2;而C2在Q2開通其間損失的電荷在下一個周期又會得到補(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擺動來實(shí)現(xiàn)的.由于自舉電路無需浮動電源,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。圖中的D和C2是IR2104在脈寬調(diào)制(PWM)應(yīng)用時應(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)時進(jìn)行調(diào)整,使電路工作處于最佳狀態(tài)，其中D是一個重要的自舉器件,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，有錢的同學(xué)可以再去研究研究TD340，基本原理都是大同小異!