智能汽车竞赛所用车模使用的是直流电机,如果将其与电池两端直接相连,电机将会全速旋转,若将电机两端的导线互换,则可以改变电机的旋转方向。显然,若车模按照这样的方式运行,将会失去平衡,导致控制失稳。为了使车模稳定可控地运行,必须控制电机的转速和转向。控制电机转速,可以使用“开关”控制电机与电池之间的通断,并控制一个周期内的导通时间,即PWM占空比调制。最简单的开关控制方案为使用继电器,但是这种方法有两个比较大的问题,即过压问题和开关速度。
图4.27 带有续流通道的电机驱动电路
开关闭合时,电机与电池形成一个闭合回路,并有电流经过,开关断开时,该闭合回路被迅速切断,由于电机内部存在较大的寄生电感,电路中的电感电流将发生突变,会导致断开点产生过压现象。过电压不仅容易烧毁电路中的敏感元件,还会使普通继电器的触点产生电弧。为了避免电机驱动电路中产生过压现象,可在电机两端反向并联一个二极管,如图4.27所示。开关闭合导通时,二极管反向截止,在开关断开时,二极管导通并与电机形成一个闭合回路,电流得以延续,亦将该二极管称为续流二极管。
电磁继电器是通过电磁原理吸合或松开机械触点实现通断的,其开关速度非常有限,难以满足控制的实时性要求,因此不适合应用在电机调速电路中。MOSFET(以下简称MOS管)是电机驱动常用的功率开关器件,其大部分时间工作在夹断区(截止区)和横流区(导通区),通过调节占空比控制开关通断和输出功率,开关速度可达千赫兹至兆赫兹。以下介绍两种常用的电机驱动结构,即半桥结构和全桥(也成称为H桥)结构。
由MOS管构成的半桥式电机驱动电路如图4.28所示,其控制方式通常是上下两个开关管交替导通,并可通过调节交替导通所占的比例(可通过调节PWM占空比实现)实现电机调速。
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图4.28 半桥结构及其分解图
不难发现,半桥构成的电机驱动电路实际上是一个双向逆变器,它不仅可以驱动电机旋转,还允许在电机处于发电状态时将多余能量反馈,即为电动状态和再生制动状态。可见,半桥结构可以实现电机的单方向旋转和制动功能。但是,在智能汽车竞赛中,虽然车模通常是向前单向行进的,但是半桥结构的再生制动往往无法满足智能车快速、紧急制动的要求,因此有效的紧急制动措施是令电机反转(对电机具有一定的伤害性,如频繁制动会导致发热严重)。此外,智能汽车创意赛中可能会出现倒车行为,平衡车模也需要使用电机反转功能。基于上述原因,通常使用由两个半桥组成的全桥(H桥)结构作为智能汽车的电机驱动拓扑,该拓扑可以使电机运行在四象限。在双电机车模中,往往还需要使用两个全桥分别驱动两个电机。
全桥结构的电机驱动电路如图4.29所示,当斜对角线的开关管同时导通时,可以分别控制电机正转和反转,且允许电机处于再生制动状态,从而实现电动机的双向四象限运行。为了便于理解,可将全桥结构分解为如图4.27右图所示的半桥加开关的形式,即当Q3导通、Q4关断时,电路构成一个与如图4.26所示一致的半桥结构,反之则构成一个可视为电池反接后的半桥结构。
图4.29 全桥驱动电路结构分解图
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