特种机器人的低电压大功率电机驱动系统设计

现阶段电气系统抗核辐射的主要途径是使用铅屏蔽层将控制系统完全包裹起来,以达到屏蔽效果，通常铅屏蔽层厚度约为7 cm。考虑到使用该方式对其进行抗核辐射加固会导致机器人体积庞大且笨重，所以很有必要设计一款适用于核辐射应急处理机器人的底盘电机驱动系统。
参考文献[1]设计了一款输出功率可达9 kW的电机驱动器，但该驱动器使用了28 V/125 V DC-DC变换器，使得驱动器体积非常庞大，不适用于核应急处理机器人的底盘电机驱动。参考文献[2]和参考文献[3]均设计了一种输出电压为24 V、电流为10 A的驱动器，由于其输出功率过小，显然也都不能用于核应急处理机器人的底盘电机驱动。
针对上述问题，本文提出一种使用IR2184驱动且由并联MOS管搭建的H桥大电流电机驱动设计方案。本文针对驱动中的尖峰问题设计RCD吸收回路，并针对MOS并联中的局部过流问题设计均流保护电路，从而保证驱动器能可靠稳定地工作。
1 系统方案设计
本设计需要驱动的特种机器人重约850 kg，所以要求底盘电机的输出功率约为1 200 W，因此底盘电机驱动器的输出功率至少应为1 500 W。机器人只能由自身携带的电池供电，并且要求其机动性强、体积小，所以设计中需使用24 V电池为驱动供电。根据1.5倍峰值电流的标准[1]，本文需设计一个输出电压为24 V、输出电流最大为100 A的驱动器。
驱动器的整体框图如图1所示，包括STM32最小系统、串口模块、DC-DC隔离电源模块、状态指示模块、电机驱动电路和RCD吸收电路。

2 硬件电路设计
本设计以STM32为控制核心，产生PWM波控制栅极驱动芯片IR2184，进而驱动由NMOS并联搭建的H桥。同时本设计使用RCD吸收电路吸收电机启停中的尖峰，均流保护电路使得并联MOS管间的电流尽量均衡。
2.1 驱动电路设计
在H桥中，要使NMOS管完全导通，要求VGS>10 V。对于下桥臂，直接加10 V以上的电压就可使NMOS导通；但对上桥臂，要使NMOS导通，就必须满足VG>VSS+10 V。因此必须使用浮动栅极驱动，才能使得上桥臂导通。栅极驱动芯片IR2184是悬浮栅极驱动芯片，具有自动死区时间控制，所以本设计使用其作为NMOS的驱动芯片。
图2是IR2184的自举驱动电路，由2片IR2184驱动一个由IRFP3206构成的H桥电路，实现对电机的正反转控制。其中，PWM1、PWM2是STM32产生的PWM经光耦隔离之后用来进行电机速度控制的信号；D1~D4为泄放二极管，作用是在没有栅极驱动信号时迅速泄放掉输入电容中的电荷；D5~D8为12 V的稳压二极管，用作钳位，以确保VGS电压正常，进而保证MOS管驱动正常；D11~D14为续流二极管，用于增加MOS管的续流能力；R9~R12为下拉电阻；C3~C6为电源滤波电容，用于维持IR2184电源的稳定。

C1、C2为自举电容，D9、D10为自举二极管。参数选择如下[4]：
(1)自举电容的电容值选取
在本设计中，自举电容的容量由式(2)决定，根据IRFP3206的数据手册知，Qg=170 nC，IGSS=100 nA。同时在本设计中VCC=12 V，Vf=1.3 V，VLS=0.7 V，QIS=5 nC，f=1 kHz，于是C1、C2的最小值为1.2 μF，故本设计中使用

2.2 RCD吸收电路
在驱动的实际测试过程中发现，在电机启停时，驱动器输出端有较大冲击电压，有时甚至高达60 V，这个电压可能将MOS管击穿，所以必须使用RCD吸收电路来滤除尖峰。在如图3所示的电路(省略驱动电路)中，将RCD吸收电路并联在MOS管的漏极和源极之间，以保证驱动器更加稳定可靠地工作。

为避免由反向恢复引起震荡而产生的过电压，吸收电路中的二极管DA应该选择正向导通电压低、反向恢复时间短的二极管，在本设计中使用SS24。
2.3 MOS管并联设计
所有并联的MOS管导通时的管压降是相同的，必然是饱和电压小的MOS管先流过较大的电流。由于功率MOS管的通态电阻RDS(on)具有正温度系数，因此，从原理上讲，MOS管具有电流自动均衡分配的特性，是很适合并联的[6]。
图4所示为MOS管并联示意图（忽略2184驱动和RCD吸收电路），在本设计中采用3个MOS管并联的方式驱动电机。为抑制栅极震荡，每个MOS管都使用独立的栅极电阻；为保证各并联MOS尽可能地热耦合，并联的MOS安装在同一片散热片上；为保证MOS管并联驱动效果，MOS管尽量选择性能接近的同一批次MOS管。

多管并联的理想情况是并联的MOS管同时通断，如果电流分配不均，导致管压降小的MOS流过的电流过大，其必然会被烧毁，其他MOS管也难以幸免。为了保证并联MOS管间尽可能均流，在本设计中采用对每个MOS管单独限流的方式来限制其流过的电流[6]。如图4所示的电路，在每个MOS管组中串联电流检测用的锰铜采样电阻R10、R20、R30，其电阻值为2 mΩ，经线性