ROS机器人中直流电机控制原理与驱动电路设计

这篇文章来分享下，在ROS学习平台中常常使用到的直流电机控制原理与驱动电路。

在使用ROS机器人构建地图的过程中，需要在房间内自主运行，采集地图信息。 这个过程中需要控制电机的正反转，电机的转速，以适应机器人直行，转弯等动作。

正反转控制原理

有刷电机的正反转非常简单，只需要交换电机供电线正负极，便可以实现电机正反转控制。 在自动控制系统中，我们不可能手动去不停交换电机正负极供电顺序，需要使用程序配合硬件电路去实现。

如下图所示，使用4个功率管（可以为MOS管或者IGBT）搭建成桥式电路，在桥臂中心引出两根导线，连接到电机的供电引脚上。

当使用单片机控制Q2,Q3导通，Q1,Q4截止时。 电流经过过电源正极，经过Q3，电机线圈，Q2流到GND。 假设这种状态时电机正转。

当使用单片机控制Q1,Q4导通，Q2,Q3截止时。 电流经过过电源正极，经过Q1，电机线圈，Q4流到GND。 假设这种状态时电机反转。

通过桥式电路的两种状态切换便可以轻松实现电机正反转控制。 对于有刷电机的正反转控制还可以使用2个继电器简单实现，但是这种方式不便于调速控制，这里就不介绍了。

直流有刷电机调速原理

根据电机电压平衡方程

从公式中可以看出电机转速n和供电电压成正比。 所以通过改变电机供电电压可以达到到调速的目的。

在电力电子中可以通过PWM波控制开关管导通与关闭来调制直流电压。 并且调制电压满足关系Vout=D*Vin,式中D为PWM波的占空比，等于在一个PWM周期内高电平持续的时间与PWM周期的比值。

调速方法：在进行晶体管控制时，可以选择不同的三种斩波方式HPWM-LON,HON-LPWM,PWM-ON-PWM。 我通常使用的为HPWM-LON方式即上管PWM，下管导通。

直流有刷电机驱动电路

H桥电路采用4颗大电流NMOS管，栅极100欧姆电阻起到抑制浪涌电流的作用，10K电阻组成栅源寄生电容泄放回路，栅极二极管提供一个低阻抗MOS管关断路径，加快MOS管关断。 （电路中元件参数看根据实际PCB进行调整）

半桥驱动电路，当MOS管栅源电压高于阈值电压时MOS管开始导通，IRF3710的阈值电压为4V。 但是只是使用4V电压进行驱动MOS管时，MOS管Rds比较大，MOS管不能流过过大电流，如下图所示：

从图中可以看出，随着栅源电压的增大MOS管的通流能力也就随着增大。 所以在驱动器设计过程中，我使用了12V电源作为MOS管的驱动，当MOS管导通时，MOS能够有很小的Rds,使MOS管有更大的通流能力。

电路中C7作为自举电容，当驱动H桥电路中的上桥臂时，由于上桥MOS管源级踩在较高的电压上（24V），所以MOS管G极电压应该比源极高12V时才能够导通（Vgs=36V）,这里利用电容两端电压不能突变的特性，半桥驱动芯片内部电路将MOS管栅极抬升至36V，此时MOS栅源电压满足导通条件。 由于自举电容C7需要不断地间隔进行充电，也就导致了此种电路PWM占空比不能达到100%，在编程时需要特别注意。

光偶隔离电路，使用光耦器件将驱动器与主控进行电气隔离，防止电机驱动器对主控制器的干扰。