直流脉宽调制调速系统控制器(4)

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第3章 系统硬件设计

3.1 系统基本组成

硬件模块主要由单片机控制模块、L298 电机驱动模块、LED 显示模块、独立键盘控制模块组成。直流电机调速系统的控制模块见下图 3-1.。

利用定时计数器让单片机 P3 口的 P3.4 引脚输出占空比不同的方波，然后经驱动芯片 L298 放大后控制直流电机。驱动芯片的输入电压是两引脚的电压差， 在调速时一根引脚线为低电平，另一个引脚产生调速方波，这样两个引脚的电压差就可通过控制其中一个引脚来控制。当需要改变电机转动方向时，两个引脚的输出相反。

定时计数器 10us 中断一次，就使 P3.4 产生一个高电平或低电平。直流电机 的速度分成 100 个等级，因此一个周期就有 100 个脉冲，周期为一百个脉冲的时间，速度等级对应一个周期的高电平脉冲的个数。占空比为高电平脉冲个数占一个周期总脉冲个数的百分数。一个周期加在电机两端的电压为脉冲高电压乘以占空比。 占空比越大，加在电机两端的电压越大，电机转动越快。电机的平均速度等于在一定的占空比下电机的最大速度乘以占空比。当我们改变占空比时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。精确的讲，平均速度与占空比并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似看成线性关系。

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图3-1 直流电机调速系统控制模块

3.2 L298 电机驱动模块

3.2.1 L298驱动简介

L298 是 SGS 公司的产品， L298N 为 15 个管角的单块集成电路， 高电压， 高电流，四通道驱动，设计用 L298N 来接收 DTL 或者 TTL 逻辑电平，驱动感性负载(比如继电器，直流和步进马达)和开关电源晶体管。内部包含 4 通道逻辑驱动电路，其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss 电压最小4.5V，最大可达46V；Vs 电压最大值也是46V。L298N 可直接对电机进行控制，无须隔离电路，可以驱动双电机。图3-2是L298 内部的原理图。

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图3-2 L298内部原理图

3.2.2 L298 内部 H 桥驱动电路

L298 内部 H 桥电路如图3-3所示。电路得名于“H 桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母 H。 4 个三极管组成 H 的 4 条垂直腿，而电机就是 H 中的横杠。如图所示，H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

图3-3 H桥驱动电路

要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图 3-4 所示，当 Q1 管和 Q4 管导通时，电流就从电源正极经 Q1 从左至右穿过电机，然后再经Q4 回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管 Q1 和 Q4 导通时，电流将从左至右流过电机， 从而驱动电机按特定方向转动（电机周

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围的箭头指示为顺时针方向） 。

图 3-4 H桥电路驱动电机顺时针转动

图 3-5 所示为另一对三极管 Q2 和 Q3 导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管 Q2 和 Q3 导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向） 。

图 3-5 H桥驱动电机逆时针转动

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驱动电机时，保证 H 桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三 极管 Q1 和 Q2 同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此 时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。 3.2.3 L298的引脚及逻辑功能

L298 电机驱动各引脚符号及功能见表 3-1。

引 脚 SENSA、SENSB ENA 、ENB IN1、IN2、IN3、IN4 OUT1、 OUT2、 OUT3、 OUT4 VCC VSS GND 功 能 分别为两个 H 桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地 使能端，输入 PWM 信号 输入端，TTL 逻辑电平信号 输出端，与对应输入端同逻辑 逻辑控制电源，4.5~7V 电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高 地 表 3-1 L298 引脚符号及功能

当使能端为高电平时，输入端 IN1 为PWM 信号,IN2为低电平信号时,电机正 转；输入端 IN1为低电平信号，IN2 为 PWM 信号时,电机反转；IN1与 IN2 相同时,电机快速停止。当使能端为低电平时,电动机停止转动。

在对直流电动机电压的控制和驱动中，半导体功率器件(L298)在使用上可以分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。线性放大驱动方式是半导体功率器件工作在线性区，优点是控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小，缺点为功率器件工作在线性区，功率低和散热问题严重。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉调制（PWM）来控制电动机的电压，从而实现电动机转速的控制,L298 逻辑功能见表 3-2。

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