一種自動報靶的電機控制電路設計與實現

摘 要：本文介紹了基于Atmega32單片機的一種無線自動報靶系統中電機控制電路硬件設計。主要對系統射擊訓練靶機控制系統中的大功率電機驅動電路、電機過流檢測電路、單片機控制電路和靶到位檢測電路的設計進行了論述。

關鍵詞：單片機 控制電路 過流檢測

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（b）-0009-02

雖然現在市面出現了一些自動報靶的產品，但這些產品的成本高、系統比較復雜，并且占用場地。因此，我們根據部隊實際訓練需要，研制出了集輕武器射擊訓練所需的所有功能于一身的基于AVR單片機的一種無線自動報靶系統，本系統總體由計算機軟件系統、無線數據收發模塊、靶機和射擊目標等組成。本文主要對射擊訓練靶機的電機控制系統進行討論。

1 電機控制電路結構組成

本系統的射擊訓練靶機控制系統采用機電結合方式實現靶的起倒功能，負責為射擊目標的隱顯提供動力。采用功率為90 W，轉速1500轉/分鐘的直流電機，通過渦輪蝸桿減速器變速為40轉/分鐘，在單片機的控制下滿足目標隱顯順序、時機、次數、間隔等要求。電機控制電路結構由大功率電機驅動電路、電機過流檢測電路、單片機控制電路和靶到位檢測電路組成。

2 大功率電機驅動電路

由于訓練靶負載重，因此需要采用90 W的大功率直流電機來驅動目標的起倒，對于大功率電機直流驅動一般采用全橋電路，對于全橋電路可以采用三極管或MOS管來驅動，但三極管由于內阻太大，常為幾十歐，導致在大功率驅動場合下會大大增加發熱量。而MOS管，由于內阻非常小，對于常用的NMOS管內阻只有幾十毫歐，非常適合用于大功率驅動場合。

在實際應用中，全橋直流電機驅動基本電路會出現以下三個問題。

第一，由于MOS管的導通和截止時間相差很大，MOS管的導通到截止時間遠長于從截止到導通時間，導致將電機由順時針轉動切換到逆時針轉動或者是由逆時針轉動切換到順時針轉動時會導致Q1和Q3還處于導通狀態，Q2和Q4也處于導通狀態，出現這樣的后果是：電源+V和地直接短路，會將MOS管給燒毀，一般稱作為死區帶。

第二，當電機正處于滑翔狀態中，這時給電機加載順時針或逆時針轉動時，在大功率驅動中，有可能將NMOS管Q1和Q2給燒毀，這是由于電機處于滑翔狀態時，電機自身的反向感應電動勢沒有消失。

第三，當Q1或Q2導通時，電源電壓+V加到電機的A點或是B點時，理論上應該是電源電壓+V，但實際上，加到A點或是B點的電壓為+V-Vgth左右，在大電流大功率驅動中是不可取的，直接導致在NMOS管的Q1或Q2發熱量很高。

基于上述幾點問題，對大功率直流電機驅動的全橋驅動基本電路做如下改進。

第一，通過軟件設置死區帶的截止時間，使其Q1～Q4的導通時間不在同一時間內加高電平，另外在硬件上通過電路縮短截止時間。

第二，通過軟件控制急剎車辦法，迅速消除電機的反向感應電動勢。

第三，通過硬件電路抬高加載到Q1和Q2的NMOS管的G（門）極電壓，保證VGS的導通電壓在電源電壓之上，即VGS=+V +Vgth。

改進后的大功率直流電機全橋驅動上半部分電路（下半部分是對稱的）如圖1所示。

在圖1中，當P1A為高電平時，三極管Q5導通，使得三極管Q6也導通，加到Q1的柵極G1點的電壓為36 V，由于G1點電壓大于電源電壓，保證了Q1的VGS大于Q1的內部Vgth門限電壓值4 V，從而使得Q1導通時A點的電壓為24 V電源電壓。同樣的道理，當Q2導通時，加到B點的電壓也可以達到24 V電源電壓。因此，大大減少電源電壓在NMOS管Q1和Q2上電源損耗，降低了在Q1和Q2管子上的發熱量，提高了電源功率的利用率。

NMOS管Q1的柵極G1點外接下拉電阻，起到加速Q1截止時間作用，減少死區帶寬度。

3 過流檢測電路的設計

在驅動大功率電機中，當電機出現卡死現象時，導致電機大量發熱，嚴重的情況就是將電機直接燒毀，而這時流入電機的電流也是最大，設計過流電路以保護電機是大功率電機驅動中必須做的一項工作。

常用的辦法就是在負載中串入一個大功率電阻，而大功率電阻阻值最小也只能到0.5歐左右，所承載的功率大約10 W左右。根據P=I2R公式計算出，流過該大功率的電阻的最大電流也就4～5 A左右，并且大功率電阻的體積大，在有限空間的電路板上并不適合，加上90 W的大功率電機出現卡死現象，電流一般都超過20 A。

由于NMOS管的導通電阻只有幾十個毫歐，相當于12～18個0.5歐大功率電阻的并聯效果，并且體積很小，應用在大功率大電流電路檢測中是最佳方案。設計的硬件電路如圖2所示。

在圖2中，將NMOS管Q13串聯在電機電路中，流過Q13的電流也即電機的工作電流，由于NMOS管Q13內阻只有幾十毫歐，正常工作時，流過電機的電流不超過10 A，在Q13的漏極C點產生的電壓不超過0.4 V，對加載到電機上正常工作電源電壓可以忽略不計，C點的電壓經過U1A運算放大同相放大5倍，送到ADC端口的電壓為5倍的C點檢測電壓值。正常工作時，ADC端點的電壓不超過2 V，ADC的電壓信號由單片機負責采樣，并轉換成數字信號由單片機進行處理，作出相應的動作。

顯然，當電機過載時，使得C點電壓驟然增大，導致ADC點的電壓達到并超過4 V，這時，單片機采樣到該電壓值，使電機停止工作，從采樣電壓到單片機執行保護動作，大約在幾個微秒時間內即可完成，從而有效地保護了電機。

4 單片機控制電路與靶到位檢測電路的設計

在本系統中，單片機采用由Atmel公司生產的AVR單片機，主要用來控制電機起倒和過載以及檢測起靶是否到位和隱靶是否到位。

利用單片機PA0引腳的ADC采樣電機過載電流信號給MCU，PD4～PD7用于驅動全橋電路的四個臂端，保證電機正常運轉。

由全橋電路驅動電機將訓練靶拉起相對于地面成90°角或是將訓練靶從與地面成90°角放倒在地面成0°角。這時我們需要用傳感器來檢測靶子是否已經到了拉起與地面成90°角的位置，或是已經放倒與地面成0°角，否則若沒有檢測電路，電機就不知道已將訓練靶拉過了或未拉到位，或是已經放倒在地面，還要繼續放倒，這對于電機，以及電機驅動電路來說是致命的，甚至燒毀電機及電機驅動電路。

檢測靶是否到位可用兩種方法來實現。一種是采用限位開關來實現，但由于限位開關是機械結構，而訓練靶在被電機拉起或放倒時的沖擊力很大，很容易將限位開關損壞，達不到檢測的效果。另一種是采用非接觸式紅外開關或是霍爾開關來實現，霍爾開關由于具有無觸電、低功耗、長使用壽命、響應頻率高等特點，能在各類惡劣環境下可靠的工作。

因此，本系統中采用了兩個霍爾開關，分別用于檢測起靶是否到位和隱靶是否到位，由霍爾開關Vout輸出的信號分別連接到單片機的PA6和PA7引腳上，由U2單片機通過檢測PA6和PA7引腳是否為低電平，就可以判斷訓練靶是否到位了。

參考文獻

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