1.1小車驅(qū)動(dòng)電路的功能需求分析

本次設(shè)計(jì)主要用于驅(qū)動(dòng)小車的前進(jìn)，后退功能。驅(qū)動(dòng)電路主要包括直流電源模塊、封鎖信號(hào)處理模塊、PWM信號(hào)處理模塊、死區(qū)生成時(shí)間模塊、MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊、H橋主電路模塊六個(gè)模塊組成。直流電源模塊是指從J1接入電源產(chǎn)生分別為7.2V，5V，12V的電源。封鎖信號(hào)處理模塊是指輸入MCU SD信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩個(gè)與非門輸出幅值為5V的同相位SD信號(hào)。PWM信號(hào)處理模塊是指MCU PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)與非門分別產(chǎn)生幅值為5V相位互補(bǔ)的MCU PWM1與MCU PWM2信號(hào)。死區(qū)生成時(shí)間模塊是指由RC組成的充放電電路與PWM信號(hào)連接與門，產(chǎn)生與原信號(hào)延遲輸入的的相位關(guān)系。MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊主要由PWM1A與PWM2A為IR2110輸入信號(hào)，驅(qū)動(dòng)MOSFET導(dǎo)通或截至。H橋主電路模塊主要由四個(gè)MOSFET組成，在PWM1A為高電平時(shí)Q1與Q4導(dǎo)通，PWM2A為高電平時(shí)Q2與Q3導(dǎo)通。

1.2電路原理圖設(shè)計(jì)

1.2電路原理圖總設(shè)計(jì)圖

直流電源模塊是指從J1接入直流電源經(jīng)過(guò)電容C1與DC2濾波，輸出7.2V電源，經(jīng)過(guò)電阻R7和發(fā)光LED接地，顯示通電是否正常。7.2V電源經(jīng)濾波電容DC3接入LM2940S-5.0芯片產(chǎn)生5V電源，5V電源經(jīng)過(guò)C2，DC5，DC6電容濾波給IR2110驅(qū)動(dòng)芯片與CD74HCT00邏輯芯片供電，5V經(jīng)過(guò)C4電容濾波接入BO512S_1WR2芯片產(chǎn)生12V電壓，12V電源經(jīng)過(guò)C5，C7濾波為自舉電容充電及為IR2110提供VCC電壓。由圖中資料顯示可以看出，在LM2940芯片中輸入端部份濾波電容為0.47uF，輸出端最小為22uF，在這里我們選用100uF。在B_D-1WR2芯片中，輸入端部份濾波電容為4.7uF。

1.2.2信號(hào)封鎖信號(hào)處理模塊

信號(hào)封鎖信號(hào)處理模塊主要包括從單片機(jī)輸出的MCU SD封鎖信號(hào)，輸入到CD74HCT00邏輯芯片，經(jīng)過(guò)兩個(gè)與非門，產(chǎn)生與輸入信號(hào)形狀相同但幅值為5V的DRIVE SD信號(hào)。不直接輸入到IR2110而是先經(jīng)過(guò)與非門的原因是從單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)幅值為3.3V，不足以驅(qū)動(dòng)IR2110，通過(guò)與非門提高其幅值。在電機(jī)電流過(guò)大或電機(jī)非正常運(yùn)行時(shí)，由單片機(jī)發(fā)出封鎖處理信號(hào)，通過(guò)IR2110芯片關(guān)閉PWM信號(hào)輸出，制停電機(jī)，避免損壞電機(jī)及電路。

1.2.3輸入PWM信號(hào)處理模塊

輸入PWM信號(hào)處理模塊主要包括從單片機(jī)輸出的MCU PWM信號(hào)輸入到CD74HCT00邏輯芯片中，經(jīng)過(guò)一個(gè)與非門產(chǎn)生與輸入相位相反幅值為5V的MCU PWM2信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一個(gè)與非門產(chǎn)生一個(gè)與輸入信號(hào)相位相同的幅值為5V的MCU PWM1信號(hào)。通過(guò)與非門產(chǎn)生PWM信號(hào)的原因之一產(chǎn)生相位互補(bǔ)的兩路PWM信號(hào)，原因之二與封鎖信號(hào)處理模塊類似，由于從單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)幅值僅為3.3V，不足以驅(qū)動(dòng)IR2110芯片，通過(guò)與非門提高其幅值。

1.2.3死區(qū)生成時(shí)間模塊

死區(qū)生成時(shí)間模塊主要包括由CD74HCT08芯片構(gòu)成，由RC組成的充放電電路與PWM信號(hào)連接與門，產(chǎn)生與原信號(hào)延遲輸入的的相位關(guān)系，延遲時(shí)間即為死區(qū)時(shí)間，防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致電源短路。

死區(qū)時(shí)間計(jì)算如下：

                         (2)

已知死區(qū)時(shí)間t為500-900ns，，查手冊(cè)知，τ為978-1761.8，查手冊(cè)可知CD74HCT08輸入電流最大為4mA，計(jì)算可得R最小為1.25KΩ，取R為2KΩ，由計(jì)算可得，C取1nF最為合適。此時(shí)死區(qū)時(shí)間大概為1000ns左右。

1.2.4 MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊

MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊主要利用邏輯芯片CD74HCT08產(chǎn)生的兩路相位互補(bǔ)的PWM信號(hào)輸入到HIN引腳與LIN引腳作為IR2110的輸入信號(hào)；CD74HCT00產(chǎn)生的封鎖信號(hào)DRIVE SD控制芯片IR2110的工作狀態(tài)。正常工作狀態(tài)時(shí)，HO與LO輸出相應(yīng)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)。封鎖狀態(tài)時(shí)，HO與LO無(wú)輸出。

IR2110主要引腳功能如下

    Vb，Vs：提供高壓端供電

HO：高壓端驅(qū)動(dòng)輸出

LO：低壓端驅(qū)動(dòng)輸出

VCC，COM：提供低壓端供電

HIN：邏輯高端輸出

LIN：邏輯低端輸出

IR2110工作原理如下：

    當(dāng)HIN為高電平時(shí)，V1管開(kāi)通，V2管關(guān)斷，VC3加到Q1的柵極和源極之間，C3通過(guò)V1，R3和柵極和源極形成回路放電，這時(shí)C3就相當(dāng)于一個(gè)電壓源，從而使Q1導(dǎo)通。由于LIN與HIN是一對(duì)互補(bǔ)輸入信號(hào)，所以此時(shí)LIN為低電平，V3關(guān)斷，V4導(dǎo)通，這時(shí)聚集在Q2柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過(guò)R4迅速對(duì)地放電，由于死區(qū)時(shí)間影響使Q2在Q1開(kāi)通之前迅速關(guān)斷。

　　當(dāng)HIN為低電平時(shí)，V1關(guān)斷，V2導(dǎo)通，這時(shí)聚集在Q1柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過(guò)R1迅速放電使Q1關(guān)斷。經(jīng)過(guò)短暫的死區(qū)時(shí)間LIN為高電平，V3導(dǎo)通，V4關(guān)斷使VCC經(jīng)過(guò)R4和S2的柵極和源極形成回路，使Q2開(kāi)通。在此同時(shí)VCC經(jīng)自舉二極管，C3和Q2形成回路，對(duì)C1進(jìn)行充電，迅速為C1補(bǔ)充能量，如此循環(huán)反復(fù)。

自舉電容計(jì)算如下：

自舉電容必須能提供不低于MOSFET管柵極電荷導(dǎo)通所需的電荷，并且在高端主開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通期間保持其電壓。工程估算公式如下：

其中：查手冊(cè)知-MOSFET門極電荷nC；-充電電源電壓為12V；-下半橋MOSFET導(dǎo)通柵極電壓查手冊(cè)知為2.2V；-與之間的最小電壓查手冊(cè)知為7.5V；-自舉快恢復(fù)二極管的正相管壓降為1.3V。

帶入數(shù)據(jù)得：

工程上，再保留一定的余量，取估值的2-3倍。=500nF。

自舉電阻的估算：

自舉電阻應(yīng)滿足：

查IR2110數(shù)據(jù)手冊(cè)t=10ns

工程上，再取估算值的2倍左右，

1.2.5 H橋主電路模塊

H橋主電路模塊主要由4個(gè)MOSFET構(gòu)成，電源電壓為7.2V，由芯片IR2110輸出的PWM波控制管子導(dǎo)通與關(guān)斷，Q1,Q4所加PWM信號(hào)相同，Q2,Q3所加PWM信號(hào)相同，兩路信號(hào)相位互補(bǔ)（不考慮死區(qū)時(shí)間）。

1.3 PCB圖繪制

(1)新建一個(gè)文件夾，創(chuàng)建工程，保存工程。添加原理圖文件與PCB文件，保存文件到目標(biāo)文件夾下。

(2)繪制原理圖。在元件庫(kù)中找到相應(yīng)元件放置并連接，模塊連接可使用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)。在畫原理圖時(shí)，如果沒(méi)有的器件根據(jù)芯片說(shuō)明書自行設(shè)計(jì)元件庫(kù)文件或是封裝庫(kù)文件。所有元件完成放置，標(biāo)好原件值并連接好后，可利用自動(dòng)標(biāo)號(hào)功能對(duì)所有原件進(jìn)行標(biāo)號(hào)。對(duì)所有元件逐一添加封裝，并確定所有原件PCB封裝正確。檢查元件之間的是否正確連接以及是否有虛連。可用compile document 功能檢測(cè)部分錯(cuò)誤。

（3）畫PCB圖。添加PCB文件。首先設(shè)置原點(diǎn)，設(shè)置規(guī)則線寬為30mil，然后把層切換到Keep out layer從原點(diǎn)畫一個(gè)長(zhǎng)為2550mil寬為1800mil的范圍。然后確定PCB圖板的大小，板長(zhǎng)設(shè)置為2550mil,板寬設(shè)置為3000mil。對(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行適當(dāng)放寬。接著進(jìn)行打孔，孔的外部矩形尺寸長(zhǎng)設(shè)置為330mil，寬設(shè)置為200mil，內(nèi)部槽的長(zhǎng)度設(shè)置為290mil，線寬設(shè)置為130mil。然后進(jìn)行手動(dòng)布局，手動(dòng)布局一般按照先大后小的原則擺放，然后按照在周圍的元件放在其周圍，通過(guò)旋轉(zhuǎn)元件使元件之間的線最短。布局好所有原件后開(kāi)始手動(dòng)布線，與電動(dòng)機(jī)直接相連的MOTN與MOTP，以及直接與MOSFET相連的7.2V與GND線的需要流過(guò)大電流的必須使用120mil線寬，其余用線寬30mil布線。完全布線后可進(jìn)行DRC電氣檢查，檢測(cè)無(wú)誤后對(duì)大電流線路進(jìn)行開(kāi)窗，然后對(duì)頂層跟底層進(jìn)行地網(wǎng)絡(luò)覆銅，最后確定板子大小。

2.1電路板元件焊接

2.2波形調(diào)試

用Ch1、Ch2測(cè)兩個(gè)IR2110芯片的LO引腳（即U1的1引腳）信號(hào)波形，兩者波形互補(bǔ)，電壓幅值均為12.4V左右。

3.單片機(jī)程序設(shè)計(jì)與小車行駛實(shí)驗(yàn)

3.1前進(jìn)與后退行駛

為了實(shí)現(xiàn)自傲車的前進(jìn)后退功能，利用定時(shí)器2并允許中斷，設(shè)置定時(shí)時(shí)間為5ms，定義i小于1000時(shí)，運(yùn)行Motor_PWM1函數(shù)即占空比為60%，小車前進(jìn)；同理，i在1000到1500時(shí)，運(yùn)行為占空比為50%的函數(shù)，小車停車2.5s;i在1500到2500時(shí)，運(yùn)行占空比為40%函數(shù)，小車倒車5s，最后停車。

3.2PWM頻率的修改

首先定義三個(gè)管腳P0_1,P0_2,P0_3作為PWM波三種狀態(tài)下的三個(gè)信號(hào)輸出口。在i從0到1000時(shí)，利用定時(shí)器1，定時(shí)時(shí)間5ms，一共10份，周期即為50ms，所以通過(guò)改變定時(shí)器時(shí)間即可改變頻率。通過(guò)PWM1所占份數(shù)，即可改變占空比為 。同理在i不同的范圍內(nèi)，輸出不同的PWM波，實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)后退與停車。

為期兩周的電力電子設(shè)計(jì)，首先是在畫原理圖跟PCB圖，又讓我重新熟悉了一下AD的使用方法，最主要的收獲就是一定要認(rèn)真，在畫原理圖一定要保證所有先都準(zhǔn)確連接。檢查網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)是否返回到有效位置，然后畫PCB時(shí)封裝一定要保證完全正確，避免在板子做出來(lái)后沒(méi)法焊的情況。畫PCB時(shí)還不要忘了也要看原理圖，把主要連接記下來(lái)，在擺放元件時(shí)把離得近的放在一起減短導(dǎo)線長(zhǎng)度。回憶芯片管腳到底也沒(méi)有接線，應(yīng)該接什么電阻，如果覺(jué)得不對(duì)勁，立刻檢查原理圖。然后就是在板子回來(lái)后的焊接與調(diào)試，焊接的時(shí)候一定要保證有極性的方向。在本次焊接時(shí)，板子中的一個(gè)51歐電阻焊成了51K的電阻，結(jié)果在測(cè)波形的時(shí)候，電解電容直接爆炸，也算是為自己的不細(xì)心付出了代價(jià)。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，首先讓我更加深刻了解課本知識(shí)，過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題和疑惑，都經(jīng)過(guò)組長(zhǎng)和同學(xué)的講解得到了解答。也使我了解到一些實(shí)際與理論之間的差異，深知自己的不足，需要我們更加認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)。

Altium Designer畫的原理圖和PCB圖如下：(51hei附件中可下載工程文件)

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