１５／３５ ５Ｏ一５２ 长春工程学院学报（自然科学版）２０１２年第１３卷第１期 Ｊ．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔ．Ｔｅｃｈ．（Ｎａｔ．Ｓｃｉ．Ｅｄｉ．），２０１２，Ｖｏｔ．１３，Ｎｏ．１ 墨墨 Ｑ ： ！墨 ＣＮ ２２—１３２３／Ｎ 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） 摘 要：结合全国“飞思卡尔”杯大学生智能车竞赛 要求，赛车需以最少的时间完成比赛，通过对多种驱 动方案的详细分析比较，进一步对电机驱动模块的 优化，确定使用基于ＢＴＳ７９６０Ｂ芯片的驱动模块，并 分析芯片内部原理、电路功能。实验结果表明，车模 运行快速、稳定。 关键词：飞思卡尔｝驱动模块；ＢＴＳ７９６０Ｂ 中图分类号：Ｕ４６３．６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９－８９８４（２ｏ１２）０１－００５０—０３ 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ｎ］。 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ＭＣ９ＳＩ２ＸＳ１２８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Ｌ２］。 在智能车的供电模块中，采用飞思卡尔竞赛主 委会提供的７．２ Ｖ／２ ０００ ｍＡｈ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， 收稿日期ｔ２０１２—０３—０８ 作者简介：李慧（１９７３一），女（汉）。吉林长春。副教授，博士 主要研究智能仪器与智能控制。 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 ＭＣ９ＳＩ２ＸＳＩ２８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． ２ Ｖ，空载电流为０．５ Ａ，转速为１６ ２００ ｒ／ｍｉｎ［３］。 在工作电流为３．３ Ａ时，电机的转速可以达到 １４ ０６０ ｒ／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ＲＳ３８０一ＳＴ直流 电机驱动方法主要有３种 ］。 第１种是采用ＣＭＯＳ管搭建的Ｈ桥驱动电 李慧，等：飞思卡尔智能车设计方法探讨 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一０）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—Ｏ）、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，Ｑｌ、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。 ＧＮＤ 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５ Ａ， 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４３ Ａ，而内阻为１６ ｍＱ。 ＢＴＳ７９６ＯＢ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 ５１ 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ＢＴＳ７９６Ｏ共同 组成全桥。图为采用ＢＴＳ７９６０驱动芯片的电路如 图４所示。 圈３ ＭＣ３３８８６芯片驱动电路 １４ ３Ｋ ● ● 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 ５２ 长春工程学院学报（自然科学版） ２０１２。１３（１） 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 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。 参考文献 驱动电路驱动能力不强，因此该设计采用 ＢＴＳ７９６ＯＢ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［１１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）ｌ １５—１６． 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７．２ Ｖ和５ Ｖ ２ 种。由于智能车的电池电压是７．２ Ｖ的，要获得 ５ Ｖ电压必须设计７．２ Ｖ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７．２ Ｖ和需要的工作 电压５ Ｖ之间的压差只有２．２ Ｖ。如果用７８０５稳 压，需要输入和输出电压差要有３ Ｖ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１．０ Ｖ左右。ＬＭ２９４０输 ［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，２００６ｌ７８—８Ｏ． ［３］薛小龙。壬孝明．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）ｔ １７一ｌ８． ［４］杨欣欣．智能移动机器人导航与控制技术的研究［Ｄ］．北 京ｌ清华大学，１９９９ｌ２７—３０． Ｉｓ］曹建章，张正阶，李景镇．电磁场与电磁波理论基础 ［Ｍ］．北京ｔ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，２００４Ｉ４７—５９． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｆｒｅｓｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃａｒ 出电流１ ＡＩ输出电流１ Ａ时，最小输人输出电压差 小于０．８ Ｖ，最大输人电压２６ Ｖ 工作温度一４Ｏ℃ ～＋１２５℃；内含静态电流降低电路、电流限制、过 ＬＩ Ｈｕｉ，ｅｔｃ． ・ 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，同时和地之间接人滤波电容，提高输入电压的稳 定性。２脚是地，接电她的负端Ｉ３脚是５ Ｖ输出端 和地之间接入的滤波电容，用于减少杂波的输出。 （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏ ｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。 Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２。Ｃ｜Ｉｌｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｎａｔｉｏｎａｌ ”Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ”Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｃａｒ Ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｌ－ ｌｉｇｅｎｔ ｃａｒ ｎｅｅｄｓ ｔＯ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ ｗｉｔｈｉｎ ａ ｍｉｎｉｍｕｍ ｔｉｍｅ．Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍａｎｙ ｄｒｉｖｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅｓ，ｗｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ｍｏｔｏｒ，ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｒｏｏｄ— ｕｌｅ ｗｈｉｃｈ ｉＳ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＢＴＳ７９６０Ｂ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈｉｐｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｕｎｃ－ ｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉ— ｇｅｎｔ ｃａｒ ｍｏｄｅｌ ｒｕｎｓ ｑｕｉｃｋ ａｎｄ ｓｔｅａｄｙ． 圈５电源稳压电路 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｆｒ￣－ｓｓｃａｌｅ；ｄｒｉｖｅ ｍｏｄｕｌｅ；ＢＴＳ７９６０Ｂ