执行机构驱动电路优化

经过改造后的舵机相当于带减速箱的直流电动机。由于舵机的性能优越，舵机的一致性好，当两个电动机加同样的电压时，电动机的转速基本一致，误差很小。直流电动机的物理模型如图5-1所示。其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。图5-1表示一台最简单的两极直流电动机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。

图5-1 直流电动机的物理模型

设原动机拖动转子转速为n，电动机内部的固定部分要有磁场。这个磁场是由图5-1所示的永久磁铁和磁极铁心上绕套的线圈，再通过直流电产生的。其中，I_f为励磁电流。这种线圈每个磁极上有一个，也就是，电动机有几个磁极就有几个励磁线圈，这几个线圈串联（或并联）起来就构成了励磁绕组。这里要注意各线圈通过电流的方向不可出错。在以上条件下环外导体将感应电动势，其大小与磁通密度B、导体的有效长度l和导体切割磁场速度v三者的乘积成正比，其方向用右手定则判断。对某一根转子导体的电动势性质是交流电，而经电刷输出的电动势却是直流电了。这便是直流电动机的工作原理。

竞赛机器人的电动机需要正反转控制，为此这里采用L298双通道直流电动机驱动芯片来驱动。L298是一块单片集成电路，有两种封装形式：15脚直立封装（Multiwatt15）和20脚贴片封装（PowerSO20），如图5-2所示。L298是双H桥高电压大电流功率集成电路，可以用来驱动2个直流电动机，也可以用来驱动感性负载，如继电器、电磁阀、步进电动机等。采用L298作为电动机驱动电路，可靠性高，可以方便地控制电动机的正反转。

L298有两个独立的使能端，其内部框图如图5-3所示。

图5-2 L298的两种封装形式

a）Multiwatt15 b）PowerSO20

图5-3 L298内部框图

L298引脚排列如图5-4所示。特别要注意图中看起来是短的引脚，实际是弯的引脚。

图5-4 L298的引脚排列

L298引脚名称和功能见表5-1。

表5-1 L298引脚名称和功能

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L298内部设计了两个可以接受标准的TTL逻辑电平的高工作电压、高工作电流的全H桥驱动电路。功率电源电压V_s范围为2.5～46V，逻辑电源电压V_ss工作范围：5～7V。最大静态工作电流是70mA（V_s=42V，V_ss=5V，T_j=25℃）。

L298的主要参数：

1）允许驱动电压：V_s=50V；

2）允许控制电压：V_ss=50V；

3）直流允许输出电流：I_O（MAX）=2A；

4）直流最大允许尖峰电流：I_O（peak）=3A（t=100μs）；

5）允许采样电压：V_SENSE=-1～2.3V；

6）允许功耗：P_tot=25W（T_CASE=75℃）。

注意：L298每一路输出正常可以提供2A的电流，峰值电流（100μs之内）可达4A。

竞赛机器人的驱动电路如图5-5所示。

图5-5 竞赛机器人的驱动电路

其中，M1、M2是直流电动机；VD1～VD8是整流二极管。当Enable A和Enable B使能端为高电平、输入端input1、input2分别为1、0时，M1正转；input1、input2分别为0、1时，M1反转。同理input3、input4分别为1、0时，M2正转；input3、input4分别为0、1时，M2反转。竞赛机器人的运动状态见表5-2。

表5-2 竞赛机器人的运动状态

注：0为低电平，1为高电平，×为任意电平。