论文部分内容阅读
摘 要 本文以全国大学生“飞思卡尔杯”智能汽车竞赛为背景。设计、控制平台主要包括电源管理模块和电机驱动模块，并提出一套可行的设计方案。
关键词 智能汽车竞赛；电源管理模块；电机驱动模块
中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2015）09-0032-02
全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”为宗旨，鼓励创新的一项科技竞赛。以飞思卡尔半导体公司的微处理器为核心，通过自主设计传感器、电源管理模块、电机驱动模块和编写控制程序，制作一个能按照比赛规则自动识别赛道完成比赛的模型汽车。
硬件是智能车的基础，其影响着车模系统稳定性。基于此，本文主要提出一套电源管理模块、电机驱动模块的可行设计方案。
1 电源管理模块
根据调整管的工作状态，直流稳压电源分为线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源通过采样、反馈等方式来控制调整管的导通程度，其输出电压文波比较小、工作噪声小、反应速度快；调整管工作在放大状态，效率比较低，发热量大。在开关稳压电源中，开关管工作饱和或者截止状态，对应开、关两个状态；效率高，功耗小，存在比较严重的开关干扰。
电源管理模块为车模系统的各个模块供电，其供电稳定性是车模稳定运行的基础。在设计中，不仅要考虑各个模块的正常工作电压、电流，还要做好各个模块的隔离，减小模块之间的噪声干扰。总的来说，通过三端集成稳压芯片来给各个模块来供电。竞赛中，常用的电源有串联型线性稳压电源（LM2941、TPS系列等）和开关型稳压电源（LM2596、LM2575、AS1015等）两大类。
车模电源是7.2V2000mAh的镍镉可充电电池，其对车模的各个模块供电。系统的供电示意图如图1所示，7.2V电压给不同电压的模块供电，主要的模块电压有12V、5.5V、5V和3.3V。用电池给电机供电，将电源电压经升、降压再给其他模块供电。电机驱动芯片IR2104的供电电压为12V，S-D5舵机的供电电压为5.5V，线性CCD的供电电压为5V，单片机的供电电压为5V，调参模块等供电电压为5V和3.3V。
MC9S12XS128单片机是系统的控制中心，其工作的稳定性直接影响车模运行。为了减少其他模块对其干扰，采用低压差线性稳压电源供电。TPS7350具有过流、过压和电压反接保护电路，可以有效地保护单片机；最大输出电流500mA，大于单片机工作电流；稳压线度相对比较好。所以选用TPS7350对其单独供电。线性CCD工作条件电源电压为-0.3V-6V，考虑到单片机的AD采样转化精度和线性CCD推荐工作条件等原因，选其最佳工作电压5V。VDD最大连续电流为40mA，在比赛中一般需要用到2-4个线性CCD，最大电流一般不超过200mA。线性CCD是模拟传感器，其供电电源的波动将影响其性能， TPS7350稳压后电压波动较小，用其对线性CCD单独供电。
S-D5是数字舵机，工作电压4.5V-5.5V，正常工作电流200mA，堵转电流是800mA；工作电压在5.5V下，带有堵转保护功能。舵机在实时控制时存在滞后性，滞后时间的大小主要由舵机的响应时间和转向传动比决定。在转向传动比不变时，舵机的响应时间与供电电压有关；舵机的工作电压越高，响应越快，同时扭矩力越大。选择5.5V供电，既可提高舵机响应速度，又可以保护舵机。LM2941S是低压差线性稳压芯片，原理图如其输出电压，在输出电流时，。选用为，为，计算得。
常用的调参模块主要有蓝牙、SD卡、OLED显示屏和按键等。不同调参模块的电压不同，SD卡供电电压为3.3V，蓝牙、OLED显示屏可以接3.3V或者5V，按键一般接5V。测速模块一般供电5V。这些模块电流一般较小，可以根据PCB设计的需要调整各模块的电压分配。
2 电机驱动模块
在竞赛中，电机驱动的方式一般有两种方式：集成芯片、栅极驱动芯片和N沟道MOSFET。常用的集成驱动芯片有BTN7970、BTN7971等；常用的栅极驱动芯片有IR系列的IR2104、IR2184等；常用N沟道MOSFET型号多样。
集成驱动芯片在过流、短路、过温和欠压时，芯片自动关断输入。为了防止车模在运行过程中因为芯片保护而停止工作，在设计时要考虑过流保护、散热等情况并采取措施。而B型车模电机功率比较大，正常工作电流都要大于1A，在启动或者堵转的情况下，电流会更大，很容易造成驱动芯片发热；如若散热不好，会影响芯片正常工作，进而影响车模运行。所以采用半桥驱动芯片IR2104驱动4个LR7843型N沟道MOSFET H桥的方式来驱动电机。
首先了解一下H桥驱动原理，电机和4个N沟道MOSFET共同构成一个类似于字母H的驱动桥，如图4所示。当Q1、Q4导通时，直流电机中通过从左到右的电流；当Q2、Q3导通时，直流电机中通过从右到左的电流；流经电机电流方向的改变就可以实现电机的正反转。但是，在控制4个N沟道MOSFET导通时，同一桥臂的Q1和Q2、Q3和Q4不能同时导通，导通会造成源地的短路；在两次状态转换过程中可能出现瞬时短路，需要在转换时插入“死区”。在这里，采用一片栅极驱动芯片IR2104来驱动同一桥臂上下两个NMOS管导通。IR2104内部集成升压电路，一个自举二极管和—个自举电容便可完成自举升压。IR2104内部设置死区时间，存在于在每次状态转换时，可以保证同一桥臂上、下两管的状态相反。
NMOS管是电压驱动型器件，栅极电压高于源极电压即可实现NMOS的饱和导通。电压通断MOS管时，要比大10V以上，而且开通时必须工作在饱和导通状态。IR2104工作电压为10-20V，采用B0512S隔离电源升压模块来供电，IR2104输出达到15V左右，可以驱动NMOS管。NMOS管栅源极之间是容性结构，栅极回路存在寄生电感，合适的栅极电阻可以迅速衰减栅极回路在驱动芯片驱动脉冲的激励下要产生很强的振荡。LR7843型N沟道MOSFET，。电机驱动模块设计电路图如图4。
3 结论
本文的电路方案经过测试，证明了其可行性与可靠性。在车模系统中，各个模块能稳定可靠地运行。
参考文献
[1]汪华章，宰文姣，马亚宁，等.较大功率直流电机驱动电路的设计与实现[J].西南民族大学：自然科学版，2010，36（4）.
关键词 智能汽车竞赛；电源管理模块；电机驱动模块
中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2015）09-0032-02
全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”为宗旨，鼓励创新的一项科技竞赛。以飞思卡尔半导体公司的微处理器为核心，通过自主设计传感器、电源管理模块、电机驱动模块和编写控制程序，制作一个能按照比赛规则自动识别赛道完成比赛的模型汽车。
硬件是智能车的基础，其影响着车模系统稳定性。基于此，本文主要提出一套电源管理模块、电机驱动模块的可行设计方案。
1 电源管理模块
根据调整管的工作状态，直流稳压电源分为线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源通过采样、反馈等方式来控制调整管的导通程度，其输出电压文波比较小、工作噪声小、反应速度快；调整管工作在放大状态，效率比较低，发热量大。在开关稳压电源中，开关管工作饱和或者截止状态，对应开、关两个状态；效率高，功耗小，存在比较严重的开关干扰。
电源管理模块为车模系统的各个模块供电，其供电稳定性是车模稳定运行的基础。在设计中，不仅要考虑各个模块的正常工作电压、电流，还要做好各个模块的隔离，减小模块之间的噪声干扰。总的来说，通过三端集成稳压芯片来给各个模块来供电。竞赛中，常用的电源有串联型线性稳压电源（LM2941、TPS系列等）和开关型稳压电源（LM2596、LM2575、AS1015等）两大类。
车模电源是7.2V2000mAh的镍镉可充电电池，其对车模的各个模块供电。系统的供电示意图如图1所示，7.2V电压给不同电压的模块供电，主要的模块电压有12V、5.5V、5V和3.3V。用电池给电机供电，将电源电压经升、降压再给其他模块供电。电机驱动芯片IR2104的供电电压为12V，S-D5舵机的供电电压为5.5V，线性CCD的供电电压为5V，单片机的供电电压为5V，调参模块等供电电压为5V和3.3V。
MC9S12XS128单片机是系统的控制中心，其工作的稳定性直接影响车模运行。为了减少其他模块对其干扰，采用低压差线性稳压电源供电。TPS7350具有过流、过压和电压反接保护电路，可以有效地保护单片机；最大输出电流500mA，大于单片机工作电流；稳压线度相对比较好。所以选用TPS7350对其单独供电。线性CCD工作条件电源电压为-0.3V-6V，考虑到单片机的AD采样转化精度和线性CCD推荐工作条件等原因，选其最佳工作电压5V。VDD最大连续电流为40mA，在比赛中一般需要用到2-4个线性CCD，最大电流一般不超过200mA。线性CCD是模拟传感器，其供电电源的波动将影响其性能， TPS7350稳压后电压波动较小，用其对线性CCD单独供电。
S-D5是数字舵机，工作电压4.5V-5.5V，正常工作电流200mA，堵转电流是800mA；工作电压在5.5V下，带有堵转保护功能。舵机在实时控制时存在滞后性，滞后时间的大小主要由舵机的响应时间和转向传动比决定。在转向传动比不变时，舵机的响应时间与供电电压有关；舵机的工作电压越高，响应越快，同时扭矩力越大。选择5.5V供电，既可提高舵机响应速度，又可以保护舵机。LM2941S是低压差线性稳压芯片，原理图如其输出电压，在输出电流时，。选用为，为，计算得。
常用的调参模块主要有蓝牙、SD卡、OLED显示屏和按键等。不同调参模块的电压不同，SD卡供电电压为3.3V，蓝牙、OLED显示屏可以接3.3V或者5V，按键一般接5V。测速模块一般供电5V。这些模块电流一般较小，可以根据PCB设计的需要调整各模块的电压分配。
2 电机驱动模块
在竞赛中，电机驱动的方式一般有两种方式：集成芯片、栅极驱动芯片和N沟道MOSFET。常用的集成驱动芯片有BTN7970、BTN7971等；常用的栅极驱动芯片有IR系列的IR2104、IR2184等；常用N沟道MOSFET型号多样。
集成驱动芯片在过流、短路、过温和欠压时，芯片自动关断输入。为了防止车模在运行过程中因为芯片保护而停止工作，在设计时要考虑过流保护、散热等情况并采取措施。而B型车模电机功率比较大，正常工作电流都要大于1A，在启动或者堵转的情况下，电流会更大，很容易造成驱动芯片发热；如若散热不好，会影响芯片正常工作，进而影响车模运行。所以采用半桥驱动芯片IR2104驱动4个LR7843型N沟道MOSFET H桥的方式来驱动电机。
首先了解一下H桥驱动原理，电机和4个N沟道MOSFET共同构成一个类似于字母H的驱动桥，如图4所示。当Q1、Q4导通时，直流电机中通过从左到右的电流；当Q2、Q3导通时，直流电机中通过从右到左的电流；流经电机电流方向的改变就可以实现电机的正反转。但是，在控制4个N沟道MOSFET导通时，同一桥臂的Q1和Q2、Q3和Q4不能同时导通，导通会造成源地的短路；在两次状态转换过程中可能出现瞬时短路，需要在转换时插入“死区”。在这里，采用一片栅极驱动芯片IR2104来驱动同一桥臂上下两个NMOS管导通。IR2104内部集成升压电路，一个自举二极管和—个自举电容便可完成自举升压。IR2104内部设置死区时间，存在于在每次状态转换时，可以保证同一桥臂上、下两管的状态相反。
NMOS管是电压驱动型器件，栅极电压高于源极电压即可实现NMOS的饱和导通。电压通断MOS管时，要比大10V以上，而且开通时必须工作在饱和导通状态。IR2104工作电压为10-20V，采用B0512S隔离电源升压模块来供电，IR2104输出达到15V左右，可以驱动NMOS管。NMOS管栅源极之间是容性结构，栅极回路存在寄生电感，合适的栅极电阻可以迅速衰减栅极回路在驱动芯片驱动脉冲的激励下要产生很强的振荡。LR7843型N沟道MOSFET，。电机驱动模块设计电路图如图4。
3 结论
本文的电路方案经过测试，证明了其可行性与可靠性。在车模系统中，各个模块能稳定可靠地运行。
参考文献
[1]汪华章，宰文姣，马亚宁，等.较大功率直流电机驱动电路的设计与实现[J].西南民族大学：自然科学版，2010，36（4）.