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电机驱动及控制模块

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3.3 电机驱动及控制模块
3.3.1 电机特性
小车前进的动力是通过直流电机来驱动的，直流电机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。它具有良
图7 主、从单片机小系统应用电路
好的线性调速特性，简单的控制性能，较高的效率，优异的动态特性。系统选用的大谷基础车的260马达作为驱动电机。其额定电压为3-12V，额定功率0.02KW，额定转速3000r/min 。
近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化，随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控制型的开关功率元件进行脉冲调制（Pulse Width Modulation简称PWM）控制方式已经成为主流，这种控制方式容易在单片机控制中实现。
PWM技术的具体有点：
调速范围宽，可以使电机安全地工作在每分钟几转到全速运转；
效率高，电源能源损耗小；
易于数字量控制；
应用广泛，PWM技术不仅可以用在电机调速，还可以在直流电压、
交流变频控制等领域有很大应用。

3.3.2电路设计
本系统直流电机驱动及控制模块采用NEC公司电机控制ASSP芯片MMC-1以及双H驱动桥IC L298N芯片。
MMC-1 为多通道两相四线式步进电机/直流电机控制芯片，通过 UART 或 SPI 串行接口，为主控 MCU 扩展专用电机控制功能，可同时控制三路步进电机或直流电机。主要功能特点（直流电机控制部分）如下：
（1）三通道步进电机或直流电机控制，电机类型可以自由配置
（2）主控 MCU 通过 UART 或者 SPI 串型接口控制
（3）直流电机的正反转控制
（4）直流电机的速度控制 256 档
（5）过电流检测功能
（6）两通道、三通道同步功能
（7）睡眠模式
（8）供电电压：Vdd=2.7V~5.5V
芯片的封装如图8所示

图8 MMC-1芯片外部引脚封装图
通过单片机的TXD和RXD口分别与芯片的13(TXD/SO)管脚和14(RXD/SI)管脚进行数据通信，实现单片机对芯片的各个功能模块的设置。
8(USRT/SPI)管脚为串行通讯模式选择，高电平为UART模式，低电平为SPI模式，本系统中使用UART模式，故使8管脚直接接电源正极。
MMC-1芯片的1管脚（CH1SEN）、30管脚（CH2SEN）和29管脚（CH3SEN）分别为3个电机通道的过流检测端，若不使用可通过10K电阻接地。
6（RESET）为MMC-1复位管脚，低电平有效。故本系统中把该端接高电平（电源正极串接一个10K电阻后接入该端）。
电源端Vdd=2.7V-5.5V。9(SLEEP)管脚若输入逻辑低电平，MMC-1进入睡眠模式，本系统中无需使用该功能，把该管脚直接接电源正极。
每一路直流电机需要CHnDCPWM和CHnDCDIR两个引脚（n=1~3），CHnDCPWM用于PWM输出，CHnDCDIR用于指定电机的转向，外接一个全桥驱动芯片就可以控制直流电机工作。输出频率固定16KHz，通过调节占空比控制电机转速。本系统使用通道1和通道2分别控制2个直流电机。如图9所示。

图9 MMC-1控制直流电机应用电路
图10 L298芯片管脚封装图
双H桥驱动芯片L298内包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即2个H-Bridge的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准的TTL逻辑准位信号，可以驱动46V、2A以下的直流电机，且可以直接透过电源调节输出电压。L298的芯片的管脚封装如图10所示。
1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感器，在本系统中未用到，因此直接接地，防止干扰。
L298可以驱动两个电极，OUT1、OUT2、和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。
5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
ENA，ENB，接控制使能端，控制电机的停转，电机的转速控制也是通过L298的这两个引脚（即ENA和ENB）来实现的。当ENA(ENB)为逻辑1，电机可以运转，当ENA(ENB)为逻辑0，电机停止运转。当ENA(ENB)引脚输入的是PWM信号，由于PWM信号有一定的频率，因此电机的启停状态都是在瞬间完成的。但是由于电机的物理特性及电机转动的惯性的原因。电机不可能在瞬间完成启动与停止。因此，之歌时候可以等效的把加到电机两端的点啊等于VDD除以这个PWM波形的占空比。占空比越大，电机运转地越快，占空比越小，电机运转地越慢，这样，我们只要调节输入到ENA(ENB)的PWM波形的占空比，就可以轻松地条件电机的转速。
因此，结合MMC-1和L298，电机驱动及控制模块的电路如图7所示。其中八个续流二极管防止电机线圈在突然断电时产生的感应电动势对L298的损害。
本系统是通过控制电机的转动时间来控制其转动速度，因此直接将ENA和ENB端接高电平，以全速运转。电机驱动及控制模块如图11所示。

图11 电机驱动及控制模块