圆梦小车也要减少“炭排放”

圆梦小车也要减少“炭排放”页圆梦小车也要减少“炭排放”——圆梦小车二代诞生记之电路篇一、缘由圆梦小车开始设计时，由于电机消耗的电流较大，故没有考虑优化H桥驱动电路，用了双极型三极管，两个桥臂导通所需基极电流之和接近100mA，但和130电机动辄1A电流相比不算什么。所以主要考虑的是好焊、不易损坏。现在电机优化了，其电流大大降低，N20电机正常工作电流仅有200mA，此时，100mA的基极电流已不可忽略！二、措施为此，着手改进驱动桥路，将双极性三极管改为MOS管，从而降低桥路自身的消耗。图1改进后的控制板圆梦小车也要减少“炭排放”管为电压控制通断，基本不消耗电流。另一方面，双极性三极管导通时通常有0.3V的压降（Vce），而MOS管导通时等效为一个小电阻，阻值通常小于0.1欧姆，本次小车所选用的Si2301为0.09欧姆，Si2302为0.04欧姆（MOS管的好坏这是一个关键指标）。这两个特性的差异不知道您是否看出了什么？假设驱动电流为1A，对于双极性三极管，将消耗0.3W，上下桥臂之和就是0.6W。而对于MOS管，以所选用的Si2301、Si2302计算，分别为0.09W、0.04W，上下桥臂之和0.13W，只有双极性三极管的四分之一弱。这就解释了：为何驱动能力差不多（原来的772、882为最大3A；现在Si2301Si2302为最大1.9A），体积却差别那么大？一个有专门的散热封装设计，一个只需将引脚焊盘加大即可。图2两种三极管的比较和圆梦小车一代的设计相同，在驱动桥路设计上也考虑了可以使用高电压驱动电机，这样使用者就可以方便的将小车的控制部分用于其它底盘，我曾做过的控制履带底盘就是一个例子。此外，也可以方便的将遥控玩具车作为底盘，这类玩具车通常为7.2V供电。驱动H桥电路如下：圆梦小车也要减少“炭排放”桥电路三、教训在此，我将一个用惨痛代价换来的经验与大家分享：在初次设计上述桥路时，为了简化，选用了号称“开漏输出”的门电路74HC03，期望能够实现电平转换，以兼容高电机电压。样板做好后，随手用4节充电电池测试，一切正常，以为没有问题了，即刻通知批量加工PCB。可过后使用刚充电后的电池详细测试时，发现了一些异常，在“刹车输出”时（小车的刹车状态为双下桥臂导通，双上桥臂截止）有微小电流流过桥路，这才发现了74HC03的“开漏”名不符实，在输出开路时即使上拉电压高于74HC03的电源电压，其输出电压也会锁定在电源电压上（略高于电源电压），这样将导致上桥臂在高电压驱动电机时无法可靠关断，后果非常严重！（读者可自行分析一下何故）圆梦小车也要减少“炭排放”报废。图4由于开漏门而报废的PCB(由于有空间，设计了MOS管并联输出)各位看过此文的切记：不能指望用74HC系列的开漏输出门电路作为电平转换用！只好重新设计，增加一级三极管9013，使输出为真正的“OC”（见图1）。四、顺带4.1增加了电机电势和电离检测电路由于合适的MOS管只有SMD的，所以只好选用；好在只有8个，算是给实践者感受一下技术的进步吧☺。不过因为散热需要，焊盘设计得比较大，还算好焊。关于表贴器件的焊接方法我在“制作一个你自己掌控的超声波测距传感器”一文的硬件篇中有比较详细的描述，如自己从未接触过SMD器件，可以看看。以下是简单示意。圆梦小车也要减少“炭排放”、882，导致PCB有富裕的地方，我立刻想到了前面曾提出过的“圆梦小车电机控制改进启发”，何不利用此空间将这部分功能画上？为有意尝试者提供方便。于是，设计了如下电路：圆梦小车也要减少“炭排放”电机驱动电流检测（注：取样电阻见图3—驱动H桥电路中的RL7、RR7）图7电机电势检测电路（注：引出的测点见图3—驱动H桥电路）这两部分的电路设计参照了无位置传感器的无刷电机驱动电路，在此只是起到信号检出作用。电路中的电容是为了消除直流电机电刷产生的毛刺，与PWM频率有关；所以，如使用于小车以外的应用场合，需根据实际情况调整。电势检测的分压比也需要和驱动电压和AD输入的范围相配；电流检测的取样电阻要与电机的电流相配，此处的参数均是根据圆梦小车的实际情况确定的。圆梦小车也要减少“炭排放”上的位置如下（对照原理图中的标识）：图8PCB元件面为了留给使用者发挥的空间，只是将这些检测信号引到扩展板上，至于使用哪些信号？接入哪路A/D？由使用者决定。4.2检测电机电势的用途圆梦小车也要减少“炭排放”页很早我就在国外网站上看过可以控制速度的电机驱动模块，当时就有些疑惑：它是如何得到转速反馈的呢？似乎除了2根输出线，没有发现电机转动的检测信号输入啊？！后来仔细阅读资料才知道，它是利用电机的电势检测速度的，即所谓“EMF反馈”。这种方式我觉得很方便，不需在电机上加装码盘类检测装置，虽说可能精度不高，可对于学习而言应该够了。比如说上次所做的控制履带底盘尝试，很多爱好者就被转动检测所羁绊，迫使我再次补了一篇“关于履带底盘的转动采样”。如果现在还有人去做，不妨试试用电势来控制转速，也许能达到不错的效果。由于电势是连续的模拟信号，所以比较适合做PID控制。国内很少看到这方面的资料，所以这次增加电势检测功能，也是希望有大学生、爱好者能用此做些尝试，并将结果与大家分享！4.3检测电机驱动电流的用途电流检测的最常见用途就是“碰撞检测”，原来使用130电机时，基本不可能实现，因为堵转电流太大，导致电压跌落，使单片机复位。改用N20电机后，一方面由于堵转电流大大减小（只有0.87A）；同时由于减速比加大，碰撞后一般不会发生堵转，而是打滑，电流小于堵转状态，所以基本不会因电压跌落而复位，这就为“用电流检测判断碰撞”提供了可能。此外，通过检测电流可以帮助学习者更好的理解直流电机的工作原理。直流电机的等效阻抗很难确定，如果使用电流检测和电势检测相配合，应该可以计算出所用电机的等效阻抗，虽说不一定精确，但肯定对分析电机运行有帮助。4.4增加了码盘采样指示初始设计时，考虑学习者可以通过编程，借助工作指示灯实现码盘采样器是否正常工作的检测。可从小车问世以来的反馈看，多数使用者还不习惯自己编写程序来检测硬件，所以只好迁就一下，增加了码盘信号的指示，因为对于小车而言，这个信号是最基础的。圆梦小车也要减少“炭排放”码盘采样指示电路（图中D6、R15）实际位置见图1上部，有文字说明。利用这个检测，可以方便的知道码盘采样器是否焊接正确，有不少人似乎还弄不清二极管的A、K含义。不过，我还是希望大家学会通过嵌入调试程序，借助已有的显示来检测硬件，因为实际产品中常常不允许有类似于“码盘指示”之类的显示。五、结语通过上述改进，配合底盘部分的电机升级，圆梦小车完成了一次换代，就称之为“圆梦二代”吧☺本次升级严格来说只是弥补了第一代设计的缺陷，使小车在综合指标上符合设计初衷所构思的需求。现在唯一的遗憾是轨迹采样部分还不太满意，因为想给使用者足够的灵活性，可以应对不同宽度的轨迹，不同的控制思路，反而使我无所适从，也就干脆“留白”了（这是装修上的术语）。不过已有初步的思路，打算先满足一部分需求，通过用户反馈再不断完善。这次控制部分的改进，给使用者提供了更多的学习内容和发挥的空间，期望能看到用户做出相应的作品，特别是基于电机电势的EMF调速，最好使用PID控制，期待着！————————————收笔于2008年8月1日星期五