飞思卡尔智能车设计方法探讨

李 慧，李秀歌，娄利峰

（长春工业大学电气与电子工程学院 ，长春130012）

0 引言

“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛以快速跑完规定赛道为目标，尽可能地提高了车模速度，这不仅要求车模有灵敏的传感器，驱动模块也尤为重要。为了进一步提高车模速度，在设计车模结构时尝试优化机械机构，控制算法等多种方法都没有达到理想的效果，在实验中发现，驱动模块的优化及其控制也尤为重要，可以有效提高车模性能。在经过不断地分析比较后，确定使用BTS7960B芯片方案能够使智能车行驶速度和稳定性得到显著提高［1］。

1 智能车整体设计

系统采用飞思卡尔半导体公司的16位微处理器MC9S12XS128作为核心控制芯片，共设计5个模块。包括传感器检测模块、速度检测模块，舵机转向控制模块，电机驱动模块，电源模块。系统结构框图如图1所示［2］。

在智能车的供电模块中，采用飞思卡尔竞赛主委会提供的7.2V／2 000mAh的Ni－cd蓄电池组直接供电。传感器检测模块负责对赛道进行识别，在电磁组的比赛中，赛道中心铺设通有交流电的导线，传感器通过检测电流所产生的磁场，根据不同磁场的大小转化为电压值并由传感器传出，微处理器MC9S12XS128根据内部A／D模块将采集到的电压值进行处理，经过软件判断后给舵机输出方向控制信号，使智能车沿正确方向行驶。智能车驱动电路负责把控制板输出的速度信号进行功率放大，使其能够驱动电机运转。由此可以看出驱动电路的好坏，在很大程度上决定着智能车的整体性能。

图1 系统结构框图

2 驱动电路设计

直流电机的性能受驱动电路的好坏影响，好的驱动电路可以充分发挥直流电机的性能，从而为整个智能车提供一个性能优越的动力系统。飞思卡尔模型车后轮驱动电机型号为RS－380，工作电压是7.2V，空载电流为0.5A，转速为16 200r／min［3］。在工作电流为3.3A时，电机的转速可以达到14 060r／min，工作效率最大。通过电机驱动模块控制电机两端电压，可以使模型车加速运行，也可对模型车进行制动。可以使用大功率晶体管、全桥或者半桥电路，输出PWM波形实现对电机的控制。

通过查阅大量资料，目前主流RS380－ST直流电机驱动方法主要有3种［4］。

第1种是采用CMOS管搭建的H桥驱动电路。它由2个P型场效应管Q1、Q2与2个N型场效应管Q3、Q4组成，P型管在栅极低电平时导通，高电平时关闭；N型管在栅极高电平时导通，低电平时关闭，场效应管是电压控制型元件，栅极通过的电流几乎为“0”。正因为这个特点，在连接好图2电路后，控制臂1置高电平（U＝VCC）、控制臂2置低电平（U＝0）时，Q1、Q4关闭，Q2、Q3导通，电机左端低电平，右端高电平，设为电机正转。控制臂1置低电平（U＝0）、控制臂2（U＝VCC）置高电平时，Q2、Q3关闭，Q1、Q4导通，电机左端高电平，右端低电平，所以电流沿箭头方向流动。设为电机反转。

当控制臂1、2均为低电平时，Q1、Q2导通，Q3、Q4关闭，电机两端均为高电平，电机不转；当控制臂1、2均为高电平时，Q1、Q2关闭，Q3、Q4导通，电机两端均为低电平，电机也不转，所以，此电路有一个优点就是无论制臂状态如何，H桥都不会出现“共态导通”（短路）。电路图如2所示。

图2 H桥电路

采用CMOS管搭建H桥，其特点是内阻小，驱动能力强，最重要的是采用CMOS搭建的H桥不会出现“共态导通”（短路）的现象［5］。

第2种方案是采用MC33886全桥驱动芯片。MC33886是全桥的电机驱动芯片，电流最高5A，发热量较大。因此想使用MC33886作为主动芯片，必须采用多片并联的方法，以减少芯片的发热程度，在选择芯片的时候要特别注意最好选择同批次、同型号的芯片，否则可能会造成芯片的不匹配，导致只有一个正常工作。当用4片并联时更要注意。图3是采用2片MC33886芯片的电机驱动电路［7］。

第3种方法就是采用BTS7960B半桥驱动芯片。使用BTS7960B芯片作为驱动电路需要采用2块BTS7960B半桥驱动芯片组成一个全桥电路，该芯片负载电流可以达到43A，而内阻为16mΩ。BTS7960B是一款针对电机驱动应用的完全集成的大电流半桥芯片。它在一个封装中集成了一个N通道场效应管下桥臂和P通道场效应管上桥臂以及一个控制集成电路。由于上桥臂采用的是P通道开关，对于电荷泵的需求也就不复存在了，因此电磁干扰减至了最小。同时因为该芯片内部的驱动控制集成电路具有逻辑电平输入，使得与微控制器的接口变得很方便，而且该驱动集成电路还具有电流检测诊断、转换率调整、死区时间生成以及过热、过压、欠压、过流和短路保护等功能。BTS7960应用非常简单，只需要向芯片第2引脚输入PWM波就能控制。当系统中只需要单向控制时，只需要让电机一端接地，另一端接BTS7960第4引脚。如果需要电机双向旋转控制，则需要另一片BTS7960共同组成全桥。图为采用BTS7960驱动芯片的电路如图4所示。

图3 MC33886芯片驱动电路

图4 BTS7960B驱动芯片电路

经过比较分析和实验验证，多片MC33886并联的电路很容易出现多个MC33886发热不均的现象，而且其中的某一片会特别热，影响芯片使用寿命。使用BTS7960搭建的全桥电路内阻远小于MC33886，可以较快地实现智能车的加减速。采用CMOS管搭建的H桥驱动电路，虽然占用空间少，成本较低。但是相比2片BTS7969B搭建的H桥驱动电路驱动能力不强，因此该设计采用BTS7960B芯片的驱动方案，即采用2片BTS7960B半桥驱动芯片电路作为该智能车系统的电机驱动电路。

3 电源模块供电电路设计

电源模块为整个智能车提供电压，车模必须有一个可靠的电源电路给驱动电路的芯片供电。驱动电路的工作电压均为直流，电压有7.2V和5V2种。由于智能车的电池电压是7.2V的，要获得5V电压必须设计7.2V变为5V的电路。直流电压变换的芯片有很多，例如7805三端稳压芯片。在本设计中，考虑到电源的电压7.2V和需要的工作电压5V之间的压差只有2.2V。如果用7805稳压，需要输入和输出电压差要有3V以上，7805不能满足要求。另一种稳压芯片是LM2940，它的输入和输出电压差可以只有1.0V左右。LM2940输出电流1A；输出电流1A时，最小输入输出电压差小于0.8V；最大输入电压26V；工作温度－40℃～＋125℃；内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。经试验电压纹波小，完全可以满足要求，故选用LM2940作为稳压器件，电路图如图5所示。管脚1接电池的正端，同时和地之间接入滤波电容，提高输入电压的稳定性。2脚是地，接电池的负端；3脚是5V输出端和地之间接入的滤波电容，用于减少杂波的输出。

图5 电源稳压电路

4 结语

通过介绍并比较多种驱动电路设计方案，最终确定设计以BTS7960B为驱动芯片的智能车电机驱动电路，该电路具有输入隔离、功率放大、输出短路保护的功能。设计中合理克服其散热问题，通过对驱动模块电路的实际运行测试，证明驱动电路具有很好的信号跟踪放大能力，温度稳定性也达到了设计的要求，是智能车驱动电路设计与应用的可靠方案。

［1］孙晋文.智能运输系统与汽车的智能化技术［J］.汽车研究与开发，2000（3）：15－16.

［2］徐安，陈耀，方春华.微控制器原理与应用［M］.北京：科学出版社，2006：78－80.

［3］薛小龙，王孝明.双速度环在双马达直流调速系统中的应用［J］.现代电子技术，2007（8）：17－18.

［4］杨欣欣.智能移动机器人导航与控制技术的研究［D］.北京：清华大学，1999：27－30.

［5］曹建章，张正阶，李景镇.电磁场与电磁波理论基础［M］.北京：科学出版社，2010：56－57.

［6］宗光华.机器人的创意设计与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004：47－59.