以嵌入式系统控制为基础之直流马达驱动器.PDF

以嵌入式系統控制為基礎之直流馬達驅動器 陳信全、王楟暘 Department of Electronic Engineering, St. John ’s University robin@.tw 摘要 由於嵌入式系統已為現今電子科技產品期內 部控制器之主流，特別是針對低功耗、高效能、 直流馬達在民生工業控制上一直都是一種重 有網路需求之可攜式電子產品而言，嵌入式系統 要的轉動元件，像是應用於機器人、電動車等領 便是最佳解決之道。為使嵌入式系統有更多元化 域；而其驅動技術的發展，則主要是建構於 H電 的應用，我們將嘗試實現一直流馬達驅動器模 橋的基礎上。為使日益蓬勃的嵌入式系統應用於 組，藉由嵌入式系統的操控，除可提供嵌入式系 機電控制，本論文提出以嵌入式系統為控制平 統教學實驗外，亦可實際應用於需要馬達控制的 台，並藉由 PWM信號的產生以控制 H電橋，進 場合。 而驅動直流馬達。此一馬達驅動器模組將可廣泛 地受控於任何嵌入式系統平台，使其應用更加的 2. H電橋概述 多元化。 H電橋 一般可分為半橋 (Half Bridge) 與全橋 關鍵詞 ：直流馬達、H電橋、嵌入式系統 (Full Bridge) 兩種裝置，經常廣泛被應用於 DC/DC轉換器中。而全橋裝置更是一種典型直流 1.前言 馬達驅動架構，用以控制馬達的轉向與轉速。基 本之全橋式H電橋用於馬達負載之 示意電路如圖 在日常生活中，低功率直流馬達被應用在消 1所示，其中 S ~ S 是作為功率晶體開關，而 1 4 費或可攜式電子產品上 ，諸如電動刮鬍刀、錄音 D ~ D 為保護二極體，是用來防止馬達線圈通電 1 4 機、錄影機、CD唱盤、模型汽車、及玩具等。 時所產生反電動勢電壓的破壞。其切換控制是當 而大功率的直流馬達則使用在電動車、快速電 S1 、S4 導通時，則 S2 、S3 必須要截止，反之亦 梯、機械人、工作母機、及工廠自動化等地方。 然；且每一控制週期此四顆功率晶體均須執行ㄧ 馬達控制的基本項目包括：馬達的啟動與停止、 次導通/截止的切換動作。相較於單一功率晶體 馬達的轉向與轉速。其中直流馬達之速度控制， 的電路架構，其切換損失增加 3倍且效率降低。 可簡單的經由控制其端電壓來達成；最典型的方 然而為了可改變直流馬達的轉動方向，此一全橋 式是利用脈波寬度調變法(PWM)來進行，經由功 結構是必需的；而且以 MOSFET 功率晶體作為 率電晶體之導通及截止狀態之切換，調整其導通 電子開關將具有較低的導通電阻，進而獲得較高 週期比(Duty Cycle Ratio) ，來改變輸出電壓之大 的效率。在此 MOSFET電橋電路中，四顆電晶 小，進而控制直流馬達之轉速 [1] 。而 H電橋乃 體可以全部採用 NMOS