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航模用智能型电机比例驱动电路


  一般的电机双向比例驱动电路工作过程是这样的:将接收机输出的帧时间为20ms的比例脉冲信号,同15ms的标准信号相减,得到正的或负的差值信号。再对差值信号进行线性展宽放大。然后驱动末级桥式电路使相应二只功率管导通,从而实现相应方向上不同速度的控制。此种电路虽简单,却存在以下不足:

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  1在调速过程中,输出脉冲电压从零占空比线性地调到100%占空比,脉冲周期为50Hz。当输出脉冲尚不能驱动电机启动时,脉冲宽度已达20%左右,带载情况下可能更高些。而输出脉冲电压值与电源电压接近,是全额加到电机两端的。同时输出电路导通状态下的内阻和电机停转状态的直流电阻都特别小。因此阻转时间稍长很有可能造成过载而烧毁驱动管,这也是在极低速时驱动管很易发热的原因。
  2桥式驱动电路的正反向上位和下位驱动管的栅极是接在一起的,同时受正或反转脉冲信号控制,在脉冲调速过程中,电机两端会产生较强的感生电势,它会对另一驱动管栅极产生干扰,严重时可使驱动管产生可以察觉的误导通状态,使电源通过上下两只管子对地直接短路导通,临臂管发热严重。长期下去会烧毁驱动管。为了消除感生电势的危害,最好是采用单上位驱动管脉宽调速,而下位驱动管在有脉冲区间始终处在导通状态,使电机一端降为零电位,将感生电势短路。
  3由于加在驱动管栅极的脉冲周期为20ms,在低速运转时,脉冲占空比较小,电机运转不够平稳。
为了克服上述缺点,我们研制了新一代智能型电机比例驱动电路,型号为QD-TZ-20A,彻底根除了上述毛病。它采用PIC12c508单片机(图中N3)作为主控芯片,智能化处理信号,极大地提高了电路的抗干扰能力和长期工作的稳定性。调制脉冲频率从50Hz提高到1kHz,真正做到了平滑调速,并增加了电子刹车功能。电路原理见附图所示。
  该电路输出级仍然采用桥式电路,不同的是4个驱动管子的栅极分别通过4个比较器由单片机来控制。在这里GP3(4脚)用作信号输入,GP2(6脚)用作积分检测,其它4个口作为输出控制。GP2外接的RW和C1的值决定参考脉冲的宽度。调整RW可以对中位进行校准,其调整范围从1ms到2ms。如果超过此范围,计算机内部将自动产生标准的1.5ms脉冲作为参考脉冲。因此,即使电位器RW和电容C1损坏也不会影响其正常工作。在不需要调整中位的情况下,或为了克服剧烈温度变化,引起C1容量变化影响参考脉冲宽度时,可将C1和RW去掉,利用计算机内部程序产生的标准15ms参考脉冲,这样也会使调速电路稳定的工作。
输入的比例脉冲信号由V10整形缓冲后,送入单片机的GP3口。死区中位宽度和正反向脉冲放大比率均由程序设定为理想值,不会出现分立元件电路因参数的离散性或老化变值而产生的漂移。在无信号或输入脉冲宽度在单片机限定的停止范围内时,GP0、GP1、GP4和GP5这4个输出端均输出低电平,4个比较器也输出低电平,驱动管均截止。当脉冲刚刚宽于单片机设定的停止范围时,GP4立即变为高电平使V4导通,将电机右端下接到零电平。而GP0则马上输出频率为1kHz占空比为20%的调速脉冲,使V5在此脉冲周期内导通,电机开始低速运行。
  随着输入脉冲的不断加宽,调速脉冲的占空比与其成比例的提高直至100%,电机速度平稳地提高直至满速。反转时当输入脉冲宽度刚刚窄于单片机设定的停止范围时,GP1马上输出高电平,将电机左端拉到零电平。而GP5则输出频率为1kHz,占空比为20%的调速脉冲。与正转不同的是反转满速时占空比设定为75%,而不是100%,反转速要比正转满速时慢些。如此设计满足了模型倒退的速度不宜太快的实际要求。
电子刹车功能也是通过单片机内部编程实现的,加入刹车功能后不但丰富了操作功能,而且也有利于克服因快速打反车造成的冲击。
  在图示的电路中其驱动桥式部分4桥臂采用的均是N沟道场效应管。这样做是因为P沟道场管与N沟道相比不但价格要高出4~5倍,而且导通时的内阻也大得多。内阻的大小对竞速模型是十分重要的,它往往是模型速度上不去的主要原因之一。为保证N沟道场管有最低的导通电阻,必须保证场管栅极对S极有正10V的电压,因此必须保证栅极电压高于电源电压10V。为完成提高电压的任务,这里选用了IR3M03升压集成电路。近20V的高压通过上拉电阻R8~R10加到各栅极上。在桥式或非桥式驱动电路中,为了进一步降低内阻增加驱动能力,通常采取并接多只相同驱动管的方法。本产品正向并接了4只驱动管,而反向因使用时间短,且最大只有75%的占空比,所以只并接了2只。大功率VMOS管的价格较贵,此种不对称输出即降低了造价又可满足模型的实际要求。
  对于不需要刹车功能的场合,同样可以采用上述电路,只需对程序稍加改动即可。模型制作中不但要有比例控制,还经常用到开关控制。利用单片计算机作为芯片的智能型驱动电路可以在不改变主体电路的情况下得以实现。
吉林 朱景丰

摘自《电子报》

 

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