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(dá)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(duì)其進(jìn)行抗核輻射加固會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人體積龐大且笨重,，所以很有必要設(shè)計(jì)一款適用于核輻射應(yīng)急處理機(jī)器人的底盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),。

    參考文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一款輸出功率可達(dá)9 kW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，但該驅(qū)動(dòng)器使用了28 V/125 V DC-DC變換器,，使得驅(qū)動(dòng)器體積非常龐大,，不適用于核應(yīng)急處理機(jī)器人的底盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)。參考文獻(xiàn)[2]和參考文獻(xiàn)[3]均設(shè)計(jì)了一種輸出電壓為24 V,、電流為10 A的驅(qū)動(dòng)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(jī)器人的底盤電機(jī)驅(qū)動(dòng),。
    針對(duì)上述問題,，本文提出一種使用IR2184驅(qū)動(dòng)且由并聯(lián)MOS管搭建的H橋大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案。本文針對(duì)驅(qū)動(dòng)中的尖峰問題設(shè)計(jì)RCD吸收回路,，并針對(duì)MOS并聯(lián)中的局部過流問題設(shè)計(jì)均流保護(hù)電路,，從而保證驅(qū)動(dòng)器能可靠穩(wěn)定地工作。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)需要驅(qū)動(dòng)的特種機(jī)器人重約850 kg,，所以要求底盤電機(jī)的輸出功率約為1 200 W,，因此底盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出功率至少應(yīng)為1 500 W。機(jī)器人只能由自身攜帶的電池供電,，并且要求其機(jī)動(dòng)性強(qiáng),、體積小，所以設(shè)計(jì)中需使用24 V電池為驅(qū)動(dòng)供電,。根據(jù)1.5倍峰值電流的標(biāo)準(zhǔn)[1],，本文需設(shè)計(jì)一個(gè)輸出電壓為24 V、輸出電流最大為100 A的驅(qū)動(dòng)器,。
    驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路和RCD吸收電路。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)以STM32為控制核心,，產(chǎn)生PWM波控制柵極驅(qū)動(dòng)芯片IR2184,，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)由NMOS并聯(lián)搭建的H橋。同時(shí)本設(shè)計(jì)使用RCD吸收電路吸收電機(jī)啟停中的尖峰,，均流保護(hù)電路使得并聯(lián)MOS管間的電流盡量均衡,。
2.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    在H橋中，要使NMOS管完全導(dǎo)通,，要求VGS>10 V,。對(duì)于下橋臂，直接加10 V以上的電壓就可使NMOS導(dǎo)通,；但對(duì)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(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng),，才能使得上橋臂導(dǎo)通。柵極驅(qū)動(dòng)芯片IR2184是懸浮柵極驅(qū)動(dòng)芯片,，具有自動(dòng)死區(qū)時(shí)間控制,，所以本設(shè)計(jì)使用其作為NMOS的驅(qū)動(dòng)芯片。
    圖2是IR2184的自舉驅(qū)動(dòng)電路,，由2片IR2184驅(qū)動(dòng)一個(gè)由IRFP3206構(gòu)成的H橋電路,，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)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(jìn)行電機(jī)速度控制的信號(hào)；D1~D4為泄放二極管,，作用是在沒有柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)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(jìn)而保證MOS管驅(qū)動(dòng)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(jì)中，自舉電容的容量由式(2)決定,，根據(jù)IRFP3206的數(shù)據(jù)手冊(cè)知,，Qg=170 nC，IGSS=100 nA,。同時(shí)在本設(shè)計(jì)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(jì)中使用
  
2.2 RCD吸收電路
    在驅(qū)動(dòng)的實(shí)際測試過程中發(fā)現(xiàn),，在電機(jī)啟停時(shí),，驅(qū)動(dòng)器輸出端有較大沖擊電壓，有時(shí)甚至高達(dá)60 V,，這個(gè)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(dòng)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(dòng)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(shí)間短的二極管，在本設(shè)計(jì)中使用SS24,。
2.3 MOS管并聯(lián)設(shè)計(jì)
    所有并聯(lián)的MOS管導(dǎo)通時(shí)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(dòng)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(dòng)和RCD吸收電路），在本設(shè)計(jì)中采用3個(gè)MOS管并聯(lián)的方式驅(qū)動(dòng)電機(jī),。為抑制柵極震蕩,，每個(gè)MOS管都使用獨(dú)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(dòng)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(shí)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(huì)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(jì)中采用對(duì)每個(gè)MOS管單獨(dú)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(gè)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(jī)的AD引腳上，用作電流反饋,。在本設(shè)計(jì)中,，采用3個(gè)MOS管并聯(lián)，最終驅(qū)動(dòng)器的最大驅(qū)動(dòng)電流為100 A,，由式(6)可算得每個(gè)MOS管的電流保護(hù)點(diǎn)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(hào)后,，Q1,、Q5、Q9都導(dǎo)通,，而且流過每個(gè)MOS管的電流都在Ip范圍內(nèi),。此時(shí)增加PWM的占空比，假設(shè)此時(shí)流過Q5的電流已超過Ip范圍,，則會(huì)產(chǎn)生過流信號(hào)限制PWM的繼續(xù)增加,，由于MOS管的自動(dòng)均流特性，Q1,、Q9的電流會(huì)增加,，同時(shí)Q5的電流減小，小于Ip電流保護(hù)點(diǎn),，則過流信號(hào)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(dá)到新的電流平衡為止,，最終實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器輸出電流為100 A的目的,。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    (1)RCD吸收電路驗(yàn)證
    如圖5所示，在沒有RCD吸收電路時(shí),，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(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)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(duì)MOS管的沖擊較小，MOS管能更穩(wěn)定地工作,。

    (2)驅(qū)動(dòng)器輸出特性驗(yàn)證
    為了測試驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際輸出性能,，本文選用淄博惠康微電機(jī)公司生產(chǎn)的J130ZYT66PX36A3直流力矩電機(jī)進(jìn)行了實(shí)際測試。如圖6所示,，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)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(jī)啟停過程中產(chǎn)生的尖峰,，將尖峰控制在30 V以下；同時(shí)使用均流保護(hù)電路很好地解決了并聯(lián)MOS管局部過流的問題,，從而達(dá)到了驅(qū)動(dòng)電壓為24 V時(shí),，持續(xù)驅(qū)動(dòng)電流達(dá)100 A的目的。實(shí)驗(yàn)表明,，本文提出的使用IR2184驅(qū)動(dòng)由并聯(lián)MOS管搭建的H橋的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)項(xiàng)目中核應(yīng)急處理機(jī)器人的穩(wěn)定可靠控制,。
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