自制小四轴

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本文作者:李德强
          第一节 电机驱动
 
 

        电路设计上我们首先需要解决的就是电机驱动的问题。也就是说,如何使电动机转动起来,并且使电动机根据我们实际的需要达到指定的转动速度。对于一些轴距较大的四轴来说,通常采用无刷电机和无刷电调来完成电机的驱动控制,如下:

无刷电机

无刷电调

        实际上我们准备要制作的小四轴尺寸非常小,长和宽只有10CM,这样大的电机和电调根本无法安装到我们的小四轴上,而且它们质量很大,并不适合。于是,我们选用了一款小四轴专用的电动机:空心杯8520电机。

        其参数如下:

  • 电机直径:8.5MM
  • 电机长度:20MM
  • 输出轴长:5.2MM
  • 电机质量:5.5g
  • 额定电压:DC 3.4V
  • 电机转速:51000 RPM

        需要注意的是,这是一款直流有刷电机,我们只需要将它的两根导线与电源的正负极接入,它就会转动起来,而将其两根导线与电源的正负极调换,就会改变转动方向。这是一个非常重要的事情,这是我们后续制作小四轴时有非常重要的关键点。

        对于上面图例中所展示的是电动机基本的电路原理,这样的电路电机会一直转动且无法改变其转动速度,这并不是我们所希望的,我们希望可以根据我们指定的条件让电机以不同的速度转动。控制原理是这样的:

        当我们让电机的导线与电源接通时,电机就会转动起来,当导线与电源断开的时候,电机就会停止转动,而我们可以使用电子信号频的让电机的导线与电源高频导通与断开,一次导通与断开,我们认为是一个控制周期。在这一个控制周期内,接通的时间越长,电机转动速度就越快;相反接通的时间越短,电机转动速度就越慢。

        而对于这样的一个控制方法,我们可以使用一个MOS管来,配合PWM控制信号对电机进行转速控制,电路原理图如下:

        其中:

  • VCC:电源的正极。
  • GND:电源的负极。
  • MOTOR:8520空心杯电动机。
  • MOS:电机控制的场效应管(可以简单理解为三极管)。
  • PWM:控制信号。

        我们的电机控制采用的是N沟道MOS管,当PWM控制信号为高电平时,MOS管导通,电机转动;当PWM控制信号为低电平时,MOS管断开,电机停止。而当PWM为高频信号输了到MOS管时,就可以根据每一个PWM周期的高电平与整个控制信号周期的比例来控制电动机的转动速度。也就是说,我们可以通过改变PWM信号的占空比,来控制电机转动的速度,占空比越高,电机转动越快,占空比越低,电机转动越慢。如下图所示:

        这样我们就可以根据自己的需要来使用程序生成PWM信号完成对电机转动速度的控制。这样我们就完成了有刷直流电机的驱动电路,完成原理图如下:

        其中,我们在电机两侧并联了一个电容和一个二级管。二极管的目的是防止电机线圈中的电能产生一个瞬间高压击穿MOS管,而加入这个二极管之后可以将这个电路构成一个反向回路,将电机线圈中的电能释放掉。而电容的作用可以让电机在高速转动时保持电压的稳定。

        这样,我们的电机驱动电路就完成了,整体上说还是比较简单的,后续章节中我们会讲述如何生成指定频率和占空比的PWM信号来准确控制电机的转动速度。

 

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