基于Arduino的四轮小车研究与应用

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电动小车的驱动系统一般由控制器、功率变换器及电动机三个主要部分组成。电动小车的驱动不但要求电机驱动系统具有高转矩重量比、宽调速范围和高可靠性；而且，因为电机的转矩转速特性受电源功率的影响，这就要求驱动具有尽可能宽的高效率区。目前，大电流正反转控制多采用达林顿管或MOS管搭制H桥PWM脉宽调制，因体积较大和分立器件的参数特性不同，使得驱动器的特性具有一定的离散性；此外，由于功率管的开关电阻比较大，因此功耗也很大，鉴于此，我们采用集成大功率MOS管H桥驱动芯片的方法来实现正反向大功率控制。在使用开源硬件平台Arduino的基础上，开发了基于全桥驱动芯片VNH3SP30的控制子板。这种驱动电路可以很方便地实现直流电机的四象限运行。

H桥控制系统

H桥示意图如图一所示，其形状类似于字母“H”，作为负载的直流电机就是架在上面的“桥”，故名“H桥驱动”。4个开关所在位置就称为“桥臂”。开关A、D接通，电机为正向转动，开关B、C接通时，直电机将反向转动。

VNH3SP30是意法半导体公司生产的专用于电机驱动的大电流功率集成芯片，内部框图如图2所示。芯片核心是一个双单片上桥臂驱动器（HSD）和2个下桥臂开关，HSD开关的设计采用ST的ViPowe技术，允许在一个芯片内集成一个功率场效应MOS管和智能信号/保护电路。下桥臂开关是采用ST专有的EHD（STripFET）工艺制造的纵向场效应MOS管。3个模块叠装在一个表面组装MultiPowerS0-30引脚框架电绝缘封装内，通过引脚DIAGA/ENA或DIAGB/ENB和外部上拉电阻器，可以导通一路桥臂，同时提供数字反馈诊断信号。PWM的控制频率可达lOkH，LSA和LSB开关可根据PWM占空比进行开关。具体性能指标如下：

大电流30A、电源电压高达40V

功率MOS管导通电阻0.034Q

5V兼容的逻辑电平控制信号输入

含欠压、过压保护电路

芯片过热报警输出和自动关断

PWM参数研究

通过H桥电路，可以实现电机的正、反转及惰行、刹车控制，但要改变电机的转速，还需要使用PWM控制以改变供给电机的功率。简单的PWM就是通过改变通、断时间比改变电机的速度。理论上，电机得到的能量只和通、断时间比（占空比）有关，但由于电机电枢的电感特性，导致电机获得的能量和PWM的频率有关。

在RL串联电路中，其电流的阶跃响应为：

式中时间常数：τ=L/R。

按电流公式分析可知：经过一个τ，电流可达最大电流的63%，2个τ，电流能到86%，3个τ，电流才能到95%。也就是说要想达到最大电流，PWM的导通时间至少要大干3个τ。假设占空比的调节范围为20%～100%，基于控制系统的响应时间应远小于PWM周期的基础上，PWM周期至少要15个τ。从上述分析看，电机PWM直接取决干电机绕组的电感和电阻。对于四驱车通用的130电机，时间常数约为0.3ms。采用堵转方式实测该电机的时间常数，结果如下：

从测量结果看，与电感、电阻值所计算出的值基本一致。因此，PWM周期至少为4.5ms，即频率为222Hz。

arduino控制器

Arduino UNO是Arduino USB接口系列控制器，作为Arduino平台的参考标准模板，UNO的处理器核心是ATmega328，同时具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。

系统实现

1 机械部分

控制小车采用田宫（Tamiya）的组件搭建，总共使用了四个组件如图5所示。

2 电路部分

由于电机在正常工作时对电源的干扰很大，如果只用一组电源时会影响单片机的正常工作，所以我们选用双电源供电。一组5V给单片机和控制电路供电，另外一组12V给电机供电。逻辑输入引脚连接到用来向H桥输出控制信号的微控制器上的引脚，而电源输出引脚则连接到电机上。我们采用Arduino的外部供电方式，并使用变压器或者电源为Arduino提供电力。电路板及原理图如图6和图7所示。

使用这一扩展板我们能够控制直流电机的转动方向和转动速度，其中对转动方向的控制是通过Arduino上的数字I/O引脚8，9，12和13来实现的，对转速的控制则是通过数字I/O引脚10和11来实现的。

如果要控制直流电机1，我们需要向引脚10输出相应的PWM信号来控制电机的速度，同时设置引脚8和9的高低电压来控制电机的方向。如果要控制直流电机2，则需要向引脚11输出相应的PWM信号来控制电机的速度，此时也是通过设置引脚12和13的高低电压来控制电机的方向的。

3 测试小车的程序代码

#define 11NA 8//电机一方向控制

#define 11NB 9//电机一方向控制

#define lPWM 10//电机一PWM控制

#define 2PWM 11//电机二PWM控制

#define 21NB 12//电机二方向控制

#define 21NA 13//电机二方向控制

//引脚定义

void setup（）{

pinMode（lINA， OUTPUT）；

pinMode（lINB， OUTPUT）；

pinMode（lPWM， OUTPUT）；

pinMode（2PWM， OUTPUT）；

pinMode（21NB， OUTPUT）；

pinMode（21NA， OUTPUT）；

delay（20）；

}

//正转

void forward（）.：

digitalWrite（lINA， LOW）；

digitalWrite（lINB， HIGH）；

digitalWrite（21NA， LOW）；

digitalWrite（21NB， HIGH）；

//反转

void backward（）{

digitalWrite（lINA， HIGH）；

digitaIWrite（lINB， LOW）；

digitalWrite（21NA， HIGH）；

digitalWrite（21NB， LOW） ； ’

}

//停止

void stopMotors ）{

digitalWrite（lINA， LOW）；

digitalWrite（lINB， LOW）；

digitalWrite（21NA， LOW）；

digitalWrite（21NB， LOW）；

digitaIWrite（lPWM， 0）；

digitalWrite（2PWM， 0）；

//循环主程

void loop（）{

stopMotors（） ；

delay（200） ；

forward（） ；

digital. Write（lPWM， 100） ；

digital. Write（2PWM， 300） ；

delay（800） ；

stopMotors（） ；

delay（500） ；

backward（） ；

digital. Write（1PWM，150） ；

digital.Write（2PWM，250）；

delay（800） ；

结论

本文主要介绍了基于开源平台Ard uino的大电流电机驱动系统。该系统采用集成全桥式驱动电路，该电路有效率高，电路简单，驱动方法检单，使用较广的特点。实验证明，基于VNH3SP30组件的大电流直流电机驱动器得到了很好的应用，该驱动器由于采用了大电流功率集成电路，使得电路结构简单、体积小、驱动能力大，保护功能全，同时，大大地提高了可靠性。可广泛应用于40V以下的大功率直流电机驱动场合。