現(xiàn)階段電氣系統(tǒng)抗核輻射的主要途徑是使用鉛屏蔽層將控制系統(tǒng)完全包裹起來,以達到屏蔽效果,，通常鉛屏蔽層厚度約為7 cm,。考慮到使用該方式對其進行抗核輻射加固會導(dǎo)致機器人體積龐大且笨重,，所以很有必要設(shè)計一款適用于核輻射應(yīng)急處理機器人的底盤電機驅(qū)動系統(tǒng),。

    參考文獻[1]設(shè)計了一款輸出功率可達9 kW的電機驅(qū)動器,，但該驅(qū)動器使用了28 V/125 V DC-DC變換器，使得驅(qū)動器體積非常龐大,，不適用于核應(yīng)急處理機器人的底盤電機驅(qū)動,。參考文獻[2]和參考文獻[3]均設(shè)計了一種輸出電壓為24 V、電流為10 A的驅(qū)動器,，由于其輸出功率過小,，顯然也都不能用于核應(yīng)急處理機器人的底盤電機驅(qū)動。
    針對上述問題,，本文提出一種使用IR2184驅(qū)動且由并聯(lián)MOS管搭建的H橋大電流電機驅(qū)動設(shè)計方案,。本文針對驅(qū)動中的尖峰問題設(shè)計RCD吸收回路，并針對MOS并聯(lián)中的局部過流問題設(shè)計均流保護電路,，從而保證驅(qū)動器能可靠穩(wěn)定地工作,。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計
    本設(shè)計需要驅(qū)動的特種機器人重約850 kg，所以要求底盤電機的輸出功率約為1 200 W,，因此底盤電機驅(qū)動器的輸出功率至少應(yīng)為1 500 W,。機器人只能由自身攜帶的電池供電，并且要求其機動性強,、體積小,，所以設(shè)計中需使用24 V電池為驅(qū)動供電。根據(jù)1.5倍峰值電流的標(biāo)準(zhǔn)[1],，本文需設(shè)計一個輸出電壓為24 V,、輸出電流最大為100 A的驅(qū)動器。
    驅(qū)動器的整體框圖如圖1所示,，包括STM32最小系統(tǒng),、串口模塊、DC-DC隔離電源模塊,、狀態(tài)指示模塊,、電機驅(qū)動電路和RCD吸收電路。

2 硬件電路設(shè)計
    本設(shè)計以STM32為控制核心,，產(chǎn)生PWM波控制柵極驅(qū)動芯片IR2184,，進而驅(qū)動由NMOS并聯(lián)搭建的H橋。同時本設(shè)計使用RCD吸收電路吸收電機啟停中的尖峰,，均流保護電路使得并聯(lián)MOS管間的電流盡量均衡,。
2.1 驅(qū)動電路設(shè)計
    在H橋中，要使NMOS管完全導(dǎo)通,，要求VGS>10 V,。對于下橋臂，直接加10 V以上的電壓就可使NMOS導(dǎo)通；但對上橋臂,，要使NMOS導(dǎo)通,，就必須滿足VG>VSS+10 V。因此必須使用浮動?xùn)艠O驅(qū)動,，才能使得上橋臂導(dǎo)通,。柵極驅(qū)動芯片IR2184是懸浮柵極驅(qū)動芯片，具有自動死區(qū)時間控制,，所以本設(shè)計使用其作為NMOS的驅(qū)動芯片,。
    圖2是IR2184的自舉驅(qū)動電路,，由2片IR2184驅(qū)動一個由IRFP3206構(gòu)成的H橋電路,，實現(xiàn)對電機的正反轉(zhuǎn)控制。其中,，PWM1,、PWM2是STM32產(chǎn)生的PWM經(jīng)光耦隔離之后用來進行電機速度控制的信號；D1~D4為泄放二極管,，作用是在沒有柵極驅(qū)動信號時迅速泄放掉輸入電容中的電荷,；D5~D8為12 V的穩(wěn)壓二極管，用作鉗位,，以確保VGS電壓正常,，進而保證MOS管驅(qū)動正常；D11~D14為續(xù)流二極管,，用于增加MOS管的續(xù)流能力,；R9~R12為下拉電阻；C3~C6為電源濾波電容,，用于維持IR2184電源的穩(wěn)定,。

    C1、C2為自舉電容,，D9,、D10為自舉二極管。參數(shù)選擇如下[4]：
    (1)自舉電容的電容值選取
    在本設(shè)計中,，自舉電容的容量由式(2)決定,，根據(jù)IRFP3206的數(shù)據(jù)手冊知，Qg=170 nC,，IGSS=100 nA,。同時在本設(shè)計中VCC=12 V，Vf=1.3 V,，VLS=0.7 V,，QIS=5 nC，f=1 kHz，于是C1,、C2的最小值為1.2 μF,，故本設(shè)計中使用
  
2.2 RCD吸收電路
    在驅(qū)動的實際測試過程中發(fā)現(xiàn)，在電機啟停時,，驅(qū)動器輸出端有較大沖擊電壓,，有時甚至高達60 V，這個電壓可能將MOS管擊穿,，所以必須使用RCD吸收電路來濾除尖峰,。在如圖3所示的電路(省略驅(qū)動電路)中，將RCD吸收電路并聯(lián)在MOS管的漏極和源極之間,，以保證驅(qū)動器更加穩(wěn)定可靠地工作,。

   
    為避免由反向恢復(fù)引起震蕩而產(chǎn)生的過電壓，吸收電路中的二極管DA應(yīng)該選擇正向?qū)妷旱?、反向恢?fù)時間短的二極管,，在本設(shè)計中使用SS24。
2.3 MOS管并聯(lián)設(shè)計
    所有并聯(lián)的MOS管導(dǎo)通時的管壓降是相同的,，必然是飽和電壓小的MOS管先流過較大的電流,。由于功率MOS管的通態(tài)電阻RDS(on)具有正溫度系數(shù)，因此,，從原理上講,，MOS管具有電流自動均衡分配的特性，是很適合并聯(lián)的[6],。
    圖4所示為MOS管并聯(lián)示意圖（忽略2184驅(qū)動和RCD吸收電路）,，在本設(shè)計中采用3個MOS管并聯(lián)的方式驅(qū)動電機。為抑制柵極震蕩,，每個MOS管都使用獨立的柵極電阻,；為保證各并聯(lián)MOS盡可能地?zé)狁詈希⒙?lián)的MOS安裝在同一片散熱片上,；為保證MOS管并聯(lián)驅(qū)動效果,，MOS管盡量選擇性能接近的同一批次MOS管。

    多管并聯(lián)的理想情況是并聯(lián)的MOS管同時通斷,，如果電流分配不均,，導(dǎo)致管壓降小的MOS流過的電流過大，其必然會被燒毀,，其他MOS管也難以幸免,。為了保證并聯(lián)MOS管間盡可能均流，在本設(shè)計中采用對每個MOS管單獨限流的方式來限制其流過的電流[6],。如圖4所示的電路,，在每個MOS管組中串聯(lián)電流檢測用的錳銅采樣電阻R10、R20、R30,，其電阻值為2 mΩ,，經(jīng)線性光耦模塊后將AD1、AD3,、AD5接到STM32單片機的AD引腳上,，用作電流反饋。在本設(shè)計中,，采用3個MOS管并聯(lián),，最終驅(qū)動器的最大驅(qū)動電流為100 A，由式(6)可算得每個MOS管的電流保護點Ip=43 A,。
  
    在如圖4所示的電路中,，如果HO輸入一定占空比PWM信號后，Q1,、Q5,、Q9都導(dǎo)通，而且流過每個MOS管的電流都在Ip范圍內(nèi),。此時增加PWM的占空比，假設(shè)此時流過Q5的電流已超過Ip范圍,，則會產(chǎn)生過流信號限制PWM的繼續(xù)增加,，由于MOS管的自動均流特性，Q1,、Q9的電流會增加,，同時Q5的電流減小，小于Ip電流保護點,，則過流信號消失,，PWM的占空比就可以繼續(xù)增加。以后一直重復(fù)以上過程,，直到達到新的電流平衡為止,，最終實現(xiàn)驅(qū)動器輸出電流為100 A的目的。
3 實驗驗證
    (1)RCD吸收電路驗證
    如圖5所示,，在沒有RCD吸收電路時,，隨著PWM占空比的增加，尖峰電壓迅速增加,；使用RCD吸收電路后,，尖峰電壓沒有明顯變化。實驗表明,，本文設(shè)計的RCD吸收電路能基本吸收尖峰電壓,，并將其控制在30 V以下，這樣對MOS管的沖擊較小，MOS管能更穩(wěn)定地工作,。

    (2)驅(qū)動器輸出特性驗證
    為了測試驅(qū)動器的實際輸出性能,，本文選用淄博惠康微電機公司生產(chǎn)的J130ZYT66PX36A3直流力矩電機進行了實際測試。如圖6所示,，本文設(shè)計的驅(qū)動器在水泥場地上輸出的最大電流已超過100 A,，且MOS管溫升不明顯。

    本文使用RCD吸收回路削弱了電機啟停過程中產(chǎn)生的尖峰,，將尖峰控制在30 V以下,；同時使用均流保護電路很好地解決了并聯(lián)MOS管局部過流的問題，從而達到了驅(qū)動電壓為24 V時,，持續(xù)驅(qū)動電流達100 A的目的,。實驗表明，本文提出的使用IR2184驅(qū)動由并聯(lián)MOS管搭建的H橋的設(shè)計實現(xiàn)了對項目中核應(yīng)急處理機器人的穩(wěn)定可靠控制,。
參考文獻
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[2] 余曉填，楊曦,，陳安.基于移動機器人直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計與應(yīng)用[J].微電機,，2011，44(11)：37-38．
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