平衡车Car_Balance(二)——电机驱动

目录

序:

1.为什么电机需要驱动电路?

2.驱动电路方案有哪些?(针对直流有刷电机的驱动电路)

3.电机的调速原理(PWM)

一、H桥

二、L298N驱动

1.L298N芯片

2.芯片封装图

3.芯片内部结构图

4.芯片引脚图(中、英文版)及引脚说明

5. 逻辑真值表

6.基于L298N的典型电机驱动电路

(一)带光耦隔离的驱动电路

(二)不带光耦隔离的驱动电路

(三)两种方案的分析

(四)平衡车选择的方案

三、TB6612FNG驱动

1.TB6612FNG芯片

2.芯片封装图

3.芯片内部结构图及引脚图

4.引脚说明 

5.逻辑真值表

 四、平衡车电机驱动最终方案


序:

1.为什么电机需要驱动电路?

①方便对电机的转速、方向进行控制

②满足电机的功率要求,控制端(如单片机)提供的电压、电流远低于电机正常工作的电压电流要求。

2.驱动电路方案有哪些?(针对直流有刷电机的驱动电路)

①采用集成芯片驱动电路。如下文的L298N、TB6612FNG典型的两款芯片。

②使用MOSFET相关的栅极驱动芯片自己搭建驱动电路。一般在电机功率比较大,集成芯片无法驱动大功率电机时,采用自己搭建驱动电路的方法。

无论是采用芯片集成电路还是自制驱动电路,其基本原理都是H桥驱动原理,所以在介绍下面两款驱动芯片前,我们先简单了解一下H桥。

3.电机的调速原理(PWM)

PWM:脉冲宽度调制,简单地说可以调整脉冲高电平和低电平的所占比例。

占空比:高电平占总周期的比例。

如图分别为10%、30%、50%占空比的方波: 

 占空比不同,即通电时间不同,导致平均电压、平均电流不同,电压电流直接决定了电机的转速,所以调节占空比就实现了调节电机转速。

一、H桥

首先,我们来了解一下电机只能单向旋转的驱动电路。

工作原理:单片机控制端输出高电平,MOSFET(理解成开关)导通,电路构成回路,电机按一个方向旋转;单片机控制端输出低电平,MOSFET断开,电机停止旋转。

初级H桥电路基本原理:

 工作原理:当单片机控制端1和单片机控制端2输出高电平,单片机控制端3和单片机控制端4输出低电平,MOSFET1和MOSFET2导通,MOSFET3和MOSFET4断开,电流方向:MOSFET1->电机->MOSFET2,假定电机正转。当单片机控制端1和单片机控制端2输出低电平,单片机控制端3和单片机控制端4输出高电平,MOSFET1和MOSFET2断开,MOSFET3和MOSFET4导通,电流方向:MOSFET3->电机->MOSFET4,则电机反转。

二、L298N驱动

1.L298N芯片

L298N是一款高电压、大电流双全桥驱动芯片,可同时驱动两个电机。它接受标准的TTL电平控制。

2.芯片封装图

3.芯片内部结构图

 显然,芯片内部集成了两个独立的H桥电路,所以这款芯片可以同时驱动两个电机动作。

4.芯片引脚图(中、英文版)及引脚说明

引脚说明
引脚号 名称 功能
1 电流传感器A 在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流
2 输出引脚1 内置驱动器A输出端1,连接电机A一端
3 输出引脚2 内置驱动器A输出端2,连接电机A另一端
4 电机电源端 电机供电输入端,接入电压由电机额定电压决定(2.5V~46V)
5 输入引脚1 内置驱动器A的逻辑控制输入端1
6 使能端A 内置驱动器A的使能端
7 输入引脚2 内置驱动器A的逻辑控制输入端2
8 逻辑地 逻辑地
9 逻辑电源端 逻辑控制电路的电源输入端,接+5V(4.5V~7V)
10 输入引脚3 内置驱动器B的逻辑控制输入端3
11 使能端B 内置驱动器B的使能端
12 输入引脚4 内置驱动器B的逻辑控制输入端4
13 输出引脚3 内置驱动器B输出端3,连接电机B一端
14 输出引脚4 内置驱动器B输出端4,连接电机B另一端
15 电流传感器B 在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流

5. 逻辑真值表

IN1 IN2 ENA 电机
X X 0 自由转动
1 0 1 顺时针
0 1 1 逆时针
0 0 1 刹停
1 1 1 刹停

特别注意:

IN3、IN4、ENB的逻辑与上表完全一样。

这里的顺时针和逆时针都是假定的,在实际实验时,如果电机转动方向与控制方向不一致,一般直接交换芯片输出端与电机的连接

当需要进行电机调速时,PWM脉冲由使能端ENA输入,由输入端IN1、IN2控制方向或PWM脉冲由使能端ENB输入,由输入端IN3、IN4控制方向。

6.基于L298N的典型电机驱动电路

(一)带光耦隔离的驱动电路

原理图:

(二)不带光耦隔离的驱动电路

原理图:

(三)两种方案的分析

100uF电容:滤波电容,滤除电源的低频纹波。

0.1uF电容:滤波电容,滤除电源的高频纹波。

8个1N4007二极管:由于电机是电感性元件,电机线圈在运转过程中两边会产生反电势,对L298形成冲击,易造成损坏,特别是对于大于电源电压和负电压更容易损坏L298,所以在每根线上都加上2个二极管(一般采用1N4007)进行保护。工作过程是:假如电机电源电压为+12V,当反电势为正,超过电源+0.7V时(即>12.7V),上端二极管导通,这样输出线电压就被限位在12.7V上,不会超过这个数值。当反电势为负,低于-0.7V时,下端二极管导通,这样输出线电压就被限位在-0.7V上,不会低于-0.7V了。这两个二极管是作为钳位使用,使得输出线上电压钳位在-0.7V~12.7V之间了。

细看两张电路图,可以发现二者的区别:带光耦隔离驱动电路L298N的IN1、IN2、IN3、IN4、ENA、ENB与单片机通过一块TLP521芯片(可控制的光耦合器件)相连,不带光耦隔离驱动电路的IN1、IN2、IN3、IN4、ENA、ENB直接与单片机相连。

光耦隔离的优点:起到信号的隔离作用。由于光耦是单向传输的,所以可以实现信号的单向传输,使输入端与输出端完全实现了电气隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强,工作稳定。

光耦隔离的缺点:输入通路与输出通路需要独立的电源,采用共阳极光耦连接时单片机的地和驱动L298N的地不能相连,否则不起隔离作用。

(四)平衡车选择的方案

①我们的平衡车只由一块锂电池供电(单电源供电)

②实际上没有光耦隔离也不至于烧毁控制器的IO口,市场上的大部分L298N驱动电路都是不带有光耦隔离电路。

综上若我们的平衡车使用L298N驱动电路应该选择没有隔离模块的L298N驱动电路

三、TB6612FNG驱动

1.TB6612FNG芯片

它具有大电流MOSFET-H桥结构,双通道电路输出,可同时驱动2个电机。相比L298N的热耗性和外围二极管续流电路,它无需外加散热片,外围电路简单,只需外接电源滤波电容就可以直接驱动电机,利于减小系统尺寸。对于PWM信号,它支持高达100 kHz的频率,相对L298N的40 kHz也具有较大优势。

2.芯片封装图

3.芯片内部结构图及引脚图

4.引脚说明 

管脚说明
引脚 名称 功能
1 AO1 内置驱动器A输出端1,连接电机A一端
2 AO1 内置驱动器A输出端1,连接电机A一端
3 PGND1 电源地1
4 PGND1 电源地1
5 AO2 内置驱动器A输出端2,连接电机A另一端
6 AO2 内置驱动器A输出端2,连接电机A另一端
7 BO2 内置驱动器B输出端2,连接电机B另一端
8 BO2 内置驱动器B输出端2,连接电机B另一端
9 PGND2 电源地2
10 PGND2 电源地2
11 BO1 内置驱动器B输出端1,连接电机B一端
12 BO1 内置驱动器B输出端1,连接电机B一端
13 VM2 电机供电输入端,接入电压由电机额定电压决定(2.5V~13.5V)
14 VM3 电机供电输入端,接入电压由电机额定电压决定(2.5V~13.5V)
15 PWMB PWMB信号输入端
16 BIN2 内置驱动器B的逻辑控制输入端2
17 BIN1 内置驱动器B的逻辑控制输入端1
18 GND 逻辑地
19 STBY
20 VCC 逻辑控制电路的电源输入端,接+5V(2.7V~5.5V)
21 AIN1 内置驱动器A的逻辑控制输入端1
22 AIN2 内置驱动器A的逻辑控制输入端2
23 PWMA PWMA信号输入端
24 VM1 电机供电输入端,接入电压由电机额定电压决定(2.5V~13.5V)

5.逻辑真值表

AIN1 AIN2 PWM 电机
X X 0 刹停
1 0 PWM 顺时针
0 1 PWM 逆时针
0 0 PWM 自由停车
1 1 PWM 刹停

特别注意:

BIN1、BIN2、PWMB的逻辑与上表完全一样。

这里的顺时针和逆时针都是假定的,在实际实验时,如果电机转动方向与控制方向不一致,一般直接交换芯片输出端与电机的连接

6.基于TB6612FNG的典型电机驱动电路

 四、平衡车电机驱动最终方案

电机额定功率大——L298N(单电源选择不带光耦隔离电路)

电机额定功率小——TB6612FNG

熊同学购买的电机额定电压是6V,要求外围电路简单,所以我选择TB6612FNG为驱动芯片

以上就是电机驱动所有知识,接下来我们会学习MPU6050硬件电路和STM32最小系统电路,有时间的话可以设计一下MSP432E401的最小系统电路,设计完成之后我们将把电源模块电路、驱动模块电路、MPU6050模块电路、STM32最小系统电路等使用Altium Designer软件集成到一块PCB板上。

文章若有不正确的地方希望各位大佬指出,遇到不理解的地方欢迎询问,谢谢大家!!

我是熊同学,我们下一期见。

版权声明:本文为CSDN博主「曾老师的熊同学」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接:https://blog.csdn.net/m0_65066988/article/details/122553834

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曾老师的熊同学

我还没有学会写个人说明!

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