【单元电路】Our Robot 1 号机器人电机驱动和堵转保护电路

gxlujd

这几天利用业余时间，把电机驱动和堵转保护电路设计出来了，因为电机驱动板的MCU还没决定使用什么型号的AVR，所以暂时不画上，M8、M16等芯片外围基本是一样的，甚至连今后的驱动程序都基本通用，所以只画出MCU以外的电路。欢迎大家对本电路提出看法和修改意见。



指标：5.5V <= +VS电压 <= 12V，每路电机最大电流 <= 2A。







原理分析：

1、电机驱动芯片使用L298N，原因很简单：价格低廉、货源充足、性能稳定、具有电机电流检测功能、耐压和驱动电流足够应付一般使用。



2、L298N逻辑控制部分的电压为5V，使用一块DIP8封装的MAX603，原因是：很好的低压差性能，IN和OUT之间最小压差为550mV，十分适合电池供电线路。



3、1/2个LM393组成带滞回特性的电压比较器，检测L298N 1脚和15脚的电机电流强度检测信号，当电机出现堵转导致的电流增加，可以立即改变比较器输出状态，同时这个信号可以连接到单片机的外部中断脚，通过中断服务程序延时或立即切断电机电源，刹住电机，保护电机的安全。电压比较器的滞回特性，可以使LM393的+输入端具有高低双门限电压，避免电机转动过程中L298N的电机检测信号跳动导致保护电路误动作。



可能存在的问题及可改进的地方：

1、当使用高压电机（大于12V而小于35V）时，必需将MAX603换为线性稳压7805或开关稳压LM2575，因为MAX603最大输入仅为12V。



2、当使用低压小功率电机的时候，哪怕堵转，电流也不会超过1A，反映在L298N的1和15脚上，是很低的电压（L298N的1和15脚输出电压范围－1～2.3V），跟正常工作相差也不大。这样经过1N4148以后，可能会导致电压比较功能失效，因为1N4148的典型正向压降有0.62V，如果1N4148之前的电压为0.8V的话，经过1N4148以后就所剩无几了。

解决的办法有2种：1是将1N4148取消，使用完整的一片双电压比较器LM393来分2路检测，最后再通过2个1N4148或使用或门来汇总信号；2是使用一片双运放，将一个运放放大电机信号，然后另一个运放做比较器用。



3、当MCU和数字电路对电源干扰极其敏感时，可以在4个INPUT脚和2个ENABLE脚以及比较器输出脚加上光耦做隔离，分开数模供电，各自地线分开，就能很好的解决干扰问题。但是要注意ENABLE脚使用光耦的型号和开关延时指标，因为这块板子有可能要上30K的PWM频率，至少要使用4N25甚至是6N13X系列的；而四个INPUT脚和电压比较器部分的光耦，采用低速的TLP521即可。



注意：

1、电机处的8个保护二极管，一定要使用1N5822之类的高速大电流肖特基管，否则反向恢复时间太长，L298N里面的H桥每边上下2个三极管会因为开闭时序交叉，导致同时打开而短路，造成L298N发热和烧毁。



2、图中电压比较器部分元件参数没有标注，因为使用电机和驱动电压不同，电压比较器的上下门限电压也会不同，具体参数要等试验和计算后再给出。

kissme

很不多，对于过流部分我有点意见，用中断来检测可能功能就有点少了。能不能直接在0.5欧的地方用个小运放或，直接并个小电容，然后直接送到接口上，或搞个跳针来切换要不要用中断方式来检测，因为很多人喜欢用ad来分别检测两个轮子的电流。可以很方便的根据自己的电机负载不同、电流不同，灵活识别堵转，或上坡，或其他状态。如果一刀砍下去很容易误动作。而且要频繁调整393。

393有两路的，也可以把两个分别开来，多个选择，成本也就多几个电阻而已

gxlujd

我用中断检测电机电流的考虑是这样的：

1、响应及时，不会因为其他任务繁重而影响过流保护的动作；

2、如果使用AD来检测电流，万一将来需要做2组供电和光电隔离则比较复杂，而且检测堵转、慢速和负载过重等情况不一定要完全依靠精确的电流测量来实现，结合光电编码轮盘来检测也是可以的。

3、DATASHEET里典型电路中L298N的1脚和15脚电压范围仅为－1～2.3V，这个电压是否具有足够的线性度，还要靠试验来测试才行。一套子电路，越专用，功能越少，则会越稳定可靠，如果太“一专多能”的话，很多地方就会变得复杂起来，我想保护电路还是以能及时关闭电机电源为主要任务吧。

Cocal

这个设计不错，很细节的问题都考虑到了，赞一个 :)



LM393比较电路设计是合理的，这是一个唯一功能的极限保护，它只考虑一种最危机的情况，和工业系统的“紧急停止按钮”（emergency stop）功能类似，在它触发的时候，系统必须无条件停止运行，否则会有设备损坏。



至于其他慢速或者非极限负载情况下堵转，应结合编码盘的闭环信号判断，进行处理，比如慢速堵转的处理结果往往是加大功率而不是断电保护。



*增加一个建议，这个检测电路是不是需要加个延时？比如在全负载启动的瞬间，电流特征和堵转会有些相似，有可能产生误判。（这种现象出现在小马拉大车的情况，如果电机功率充裕，加上大速比的变速箱，这种机会很小。）

gxlujd

谢谢大家的建议！

to Cocal:这个延时问题我是有考虑到的，原先设计可以在外部中断服务程序中使用适当延时来实现（如100ms），一般来说在启动瞬间这个延时对整个程序的流程和各任务实时性影响不是很大。如果依靠外部硬件来实现的话，应该说稳定性更高，软件编写更容易，但是增加了电路复杂程度，增加了成本，这几天得空的话我会搭个实际电路来测试一下，在软件编写的难度和外围硬件的复杂程度上取个比较折中的选择。

wudi

马达倒转也会发生上述问题。



MAX603在12V情况下会非常烫，容易过热导致断电。



我的经验是，给L298上5*5CM的散热器和风扇，这样在12V时就算用手捏住轮子也不会导致电路出任何问题（除了电源耗的快）。



建议不要做强制断电，有些情况就是要堵转了拼力气的



使用了减速马达后大部分情况是轮胎和地面打滑，除非马达电压特别小，摩擦力特别特别大（除了使用双面胶到现在我还没发现什么其他办法能达到这点），否则是根本不可能完全堵转的。

gxlujd

MAX603的供电仅仅是给L298N的逻辑部分，才20mA多一点的电流，应该问题不大吧，你手头有MAX603的话帮个忙测试一下，给它输入12V，然后输出接个电阻和LED，使LED的电流为25mA，看看长时间工作的稳定性如何。



过大的散热片和风扇会造成机器人体积过大，重量过重，不但加大电机负担，减低竞速的胜算，还加大了电源的负担。我觉得不宜通过加强散热来抵御驱动电路的过大电流，而且这样对电机绕组不好，还是适当的通过检测电路来保护芯片、电池和电机为好。



强制断电是通过程序来控制的，如果你的竞赛项目不想使用这个功能，可以在编程的时候不响应外部中断，甚至可以给保护电路做个跳线，跳开就是了。



广茂达的MII机器人就会堵转，不知是不是它的轮胎和我家的木地板比较亲密接触呢，哈哈哈哈哈。

mrcafe

将MII的电压加到12V你就会看不到堵转，只看见轮胎打滑。广茂达用的就是MAX603。试过加12V，因为怕烫，还是加了风扇，稳定。其实风扇散热除了延迟极限外，更重要的是在平时保持输出参数的稳定。大家都知道，温度上升后功率器件的阻抗会升高，温度越高浪费的更率就越多，更重要的是真正用在马达上的功率下降，直接导致你的比赛失利。wudi的比赛获胜就是一个例子。

E-mC2

其实，我认为，在我们这么小功率电机的应用中，真正能将电机烧坏的情况真的不多，在平常的机器人制作中，为了提速，我们甚至把标称12V的电机加到了24V。

真正应该保护的不是电机，而是脆弱的驱动电路。L298，我们已经烧了一盆了，现在我们用上了性能更好的MOSFET IRF540甚至IRF3803（标称参数分别是33A/140A）。当然，这只是将硬件的可承受能力提上去了。

而至于保护呢，可以参考一下北京科技大学的做法：在电机回路里串上一个很便宜的可恢复保险丝，据说效果很好……当然，这也就没法实现上面各位大虾讨论的那么灵活处理了

   一家之言，仅供参考，欢迎拍砖~~~

wudi

“MAX603的供电仅仅是给L298N的逻辑部分，才20mA多一点的电流，应该问题不大吧，你手头有MAX603的话帮个忙测试一下，给它输入12V，然后输出接个电阻和LED，使LED的电流为25mA，看看长时间工作的稳定性如何。”



不光有芯片等要5V电，红外管也是要5V电的。要知道红外管的电流可是比LED大N倍，同时上5个不要说垃圾的603了，就连2940不加散热也会热的吃不消。



我有603，从来不用。个人觉得除了比7805稳压得准一点外，没有任何的优点。广茂达用的就是603，上12V电不一会儿滚烫。











超出额定电压会导致寿命减短。尤其是铜电刷，碳电刷好一点，空载状态下很容易磨光



298处理好散热3A没问题。



3A对“小”车的供电能力来说已经是不小的考验了



如果功率真的大，MOSFET当然是最好的选择



本人在做大功率方面没有任何的经验。现在做的东西功率不会比玩具大多少。还望多多指教。

zhou_1989

这块板子是独立的电机驱动板，我们假设用mega8和L298N，电机驱动板板上只有这两片集成电路。则mega8为15mA，L298逻辑部分为50mA，总电流也只有65mA确实不大。

MAX603极限为11.5V用12V确实不好。

zhou_1989

同类的MAXIM的IC也有可选择的，MAX631-633也可以用，不过比7805贵。

wudi

631？我没听说过这个IC，不过肯定没有7805常用。7805货源肯定是最充足而且信价比最高的

zhou_1989

哈哈，说错了，那个是升压的。脑子里IC太多了。

应该是MAX667。+5V可调、低压差稳压器



点击此处打开armok0192327.pdf

wudi

MAXIM为什么这么喜欢DIP封装？？散热多麻烦。



也许就是因为容易烧的原因，才做成DIP，方便更换

zhou_1989

我想MAXIM的这一系列是电源管理，功率不大，所以用DIP

你可以测一下广茂达带传感器的电流，我的结论是偏大。

wudi

广茂达我没怎么玩过，因为我老是忘记C里的分号。



不过它上12V的时候肯定是要发热的，再高点就开始复位了。

zhou_1989

那是，我老是在想，为什么C能告诉我少分号而不能帮我补一个。

gxlujd

让电脑自作聪明添加符号不好，还是人脑处理好了。

wolfojc

“那是，我老是在想，为什么C能告诉我少分号而不能帮我补一个。”



看来搞技术的人说话还挺YOU默的。

lionmilk

不需要使用光耦吗？

andygongyb

1n5822可以吗？我觉得1n5819更合适阿

win100

参考~~~