基于改進全橋驅動電路的電機控制器設計

劉國松，唐 帥，萬彥超

(1.中國人民解放軍陸軍勤務學院 軍事設施系, 重慶 401331; 2.軍事科學院 系統工程研究院 軍事新能源技術研究所， 北京 100091； 3.中國人民解放軍63926部隊, 北京 100192)

隨著物聯網的快速發展，人工智能機器人的研發與應用已成為一個研究熱點。電機作為機器人的“關節”，是機器人能夠自由運動的關鍵部件，而電機控制器又是連接電機和主控制芯片的關鍵部件。一個好的電機控制器能充分發揮電機的性能，同時能保護電機，延長電機的壽命。現有的控制器驅動電路存在電流不均、開關時間不一等問題[1-4]。本文采用改進的全橋驅動電路，對橋臂上開關統一采用N型場效應管，通過改變算法達到同樣的控制效果，同時解決了電流不均、開關時間不一等問題。

1 電機控制器的基本結構

電機控制器[5]由通訊模塊、控制模塊、驅動模塊、電源模塊和檢測模塊5個模塊組成，電機及各模塊之間的關系如圖 1所示。驅動模塊控制電機的正反轉及電機轉速的調節；控制模塊接收來自通訊模塊的控制信號及檢測模塊的檢測信號，并向驅動模塊發送控制信號以實現對電機的控制及糾正，同時將信息反饋給通訊終端；電源模塊則用于保證整個控制器及電機的穩定供電。

圖1 電機控制器模塊構成

根據電機控制器模塊功能不同，將控制器的驅動模塊和控制模塊分別置于PCB板兩端，并增加地層和電源層，有效地隔離了驅動模塊中的強電流對控制信號的干擾。控制芯片則采用獨立的電源芯片(HDW-24S05)供電。該芯片是一款高性能的電源芯片，輸出電壓精度為±1%，輸入電壓幅值為18～36 V。同時，該芯片具有電磁兼容的特性，能在強磁環境下工作。另外，由于其采用一體化灌封，使其具有防腐、防潮、防震性能以及良好的導熱性能。控制芯片采用高性能的TMS320F2808[6]控制芯片。該芯片為專門的數字信號處理器，主要有如下特性：高性能CMOS技術、32位CUP、多達16個脈寬調制(PWM)輸出、多達2個正交編碼器接口、多達2個控制器局域網 (CAN) 模塊、12位模數轉換器(ADC)，16個通道。最終設計的PCB版實物如圖2所示。

圖2 PCB板實物

2 改進的全橋控制電路設計

典型全橋電路[7]如圖3所示。它由2個P型場效應管Q1、Q2與2個N型場效應管Q3、Q4組成，所以又稱P-NMOS 管H橋。橋臂上的4個場效應管相當于4個開關。通過控制開關的通斷，可以實現對電機供電以及供電方向的控制。當Q2、Q3導通，Q1、Q4斷開時，電機將沿箭頭所指方向轉動，通過調節Q2、Q3的導通與關斷，可以實現對電機速度的控制；相反，當Q1、Q4導通，Q2、Q3斷開時，電機將沿箭頭所指方向反方向轉動，通過調節Q1、Q4的導通與關斷，同樣可以實現對電機速度的控制。

圖3 典型H橋電路

但是，這種P-NMOS管H橋同時存在P型場效應管和N型場效應管[8]，而這兩種場效應管在性能上不可避免地存在著差異。因此，驅動電路中必然存在著電流不均、開關時間不一等不利影響。為了提高控制的精度，消除不同場效應管帶來的影響，本設計對P-NMOS管H橋進行了改進：4個場效應管均采用N型場效應管。由于采用完全相同的場效應管，因此每個橋臂在相同電壓下允許流過的電流將完全一致，同時開關時間也將相同，從而消除了不同場效應管間帶來的誤差。改進的全橋電路如圖4所示。

圖4 全橋驅動模塊

全橋驅動模塊采用4N-MOS管全橋驅動，驅動電壓為12 V，同時加入了IR21834芯片，可將控制信號的5 V電壓升到12 V。模塊還加入了電流傳感器芯片ACS712。該芯片由Allegro公司推出，是一種線性電流傳感器，它內部有精確的低偏置線性霍爾傳感器，能輸出并檢測到與直流或者交流電流成比例的電壓。同時，該芯片帶寬為50 kHz，總輸出誤差最大為4%，具有噪聲低、響應時間快(對應步進輸入電流，輸出上升時間為5 s)、輸出靈敏度高(66～185 mV/A)、使用方便、性價比高、絕緣電壓高等特點。由于驅動電路采用4個N型場效應管，因此控制算法將與典型的全橋驅動電路不同，所以應重新設計控制算法。

3 控制算法設計

控制算法考慮流過電機的電流、電機的轉速以及電機當前的位置3個因素的影響，設計了三環控制系統。

整個控制流程如圖5所示。控制器包含位置環、速度環、電流環，后一環嵌入前一環。由于電流的響應急快，同時對電流的檢測是評斷電機是否過流的安全保證，因此將其作為最內環控制。速度環響應快于位置環，因此將速度環作為中間環，將位置環作為最外環。無論是位置環、速度環還是電流環，均采用PID控制算法[9-10]，前一環的輸出結果作為下一環的輸入，形成相互嵌套的三環控制系統[11]。相應的控制程序流程如圖6所示，左側為主程序流程，右側為調用的子程序。

圖5 控制流程

圖6 控制程序流程

4 實驗測試與分析

實驗采用90 W的帶減速箱的Maxon電機進行。控制器實物如圖7所示。測試實驗共分為啟動實驗、軌跟隨實驗、堵轉實驗3部分，分別用于測試電機的啟動響應、跟隨性能和過流保護性能。

圖7 控制器實物

3種實驗均記錄了電機的轉速變化規律和電流變化規律。實驗結果見圖8～17。

圖8 啟動測試的轉速曲線

圖9 啟動測試的電流曲線

圖10 正弦跟隨的轉速曲線

圖11 正弦跟隨的電流曲線

圖12 方波跟隨的轉速曲線

圖13 方波跟隨的電流曲線

圖14 未加限流條件下堵轉測試的轉速曲線

圖15 未加限流條件下堵轉測試的電流曲線

圖16 加限流條件下堵轉測試的轉速曲線

圖17 加限流條件下堵轉測試的電流曲線

啟動實驗結果圖8、圖9所示，啟動響應時間在0.1 s左右，響應較快。速度啟動平滑，啟動后能夠穩定在最大速度值上，且誤差小于5%，符合設計要求。由于加入了電流環，電流在啟動時沒有產生過流現象。跟隨實驗結果如圖10～13所示，電機的速度能很好地跟隨設定的速度，能滿足設計要求。同時，電流能夠維持在一個較低的值，沒有突變的發生。電流在速度反向時會產生較小的波峰，但在誤差允許范圍內。電機堵轉實驗結果如圖14～17所示，在未加過流保護的情況下，電流過流值達60 mA；在加入過流保護后，電流值被限定在30 mA以內，平均值在20 mA左右，在電機突然堵轉的情況下實現了過流保護。

5 結束語

本文設計的電機控制器，針對驅動電路存在電流不均、開關時間不一等問題，采用改進的全橋控制電路，有效解決了這一問題，并設計了相應的控制算法。通過實驗驗證了電機能夠控制啟動電流，達到安全、穩定、快速的啟動效果，同時具有良好的跟隨性能和過流保護能力。該控制器能還可應用于機器人領域。