虽然现在市面出现了一些自动报靶的产品, 但这些产品的成本高、系统比较复杂, 并且占用场地。因此, 我们根据部队实际训练需要, 研制出了集轻武器射击训练所需的所有功能于一身的基于AVR单片机的一种无线自动报靶系统, 本系统总体由计算机软件系统、无线数据收发模块、靶机和射击目标等组成。本文主要对射击训练靶机的电机控制系统进行讨论。
本系统的射击训练靶机控制系统采用机电结合方式实现靶的起倒功能, 负责为射击目标的隐显提供动力。采用功率为90 W, 转速1500转/分钟的直流电机, 通过涡轮蜗杆减速器变速为40转/分钟, 在单片机的控制下满足目标隐显顺序、时机、次数、间隔等要求。电机控制电路结构由大功率电机驱动电路、电机过流检测电路、单片机控制电路和靶到位检测电路组成。
由于训练靶负载重, 因此需要采用90 W的大功率直流电机来驱动目标的起倒, 对于大功率电机直流驱动一般采用全桥电路, 对于全桥电路可以采用三极管或MOS管来驱动, 但三极管由于内阻太大, 常为几十欧, 导致在大功率驱动场合下会大大增加发热量。而MOS管, 由于内阻非常小, 对于常用的NMOS管内阻只有几十毫欧, 非常适合用于大功率驱动场合。
在实际应用中, 全桥直流电机驱动基本电路会出现以下三个问题。
第一, 由于MOS管的导通和截止时间相差很大, MOS管的导通到截止时间远长于从截止到导通时间, 导致将电机由顺时针转动切换到逆时针转动或者是由逆时针转动切换到顺时针转动时会导致Q1和Q3还处于导通状态, Q2和Q4也处于导通状态, 出现这样的后果是:电源+V和地直接短路, 会将MOS管给烧毁, 一般称作为死区带。
第二, 当电机正处于滑翔状态中, 这时给电机加载顺时针或逆时针转动时, 在大功率驱动中, 有可能将NMOS管Q1和Q2给烧毁, 这是由于电机处于滑翔状态时, 电机自身的反向感应电动势没有消失。
第三, 当Q1或Q2导通时, 电源电压+V加到电机的A点或是B点时, 理论上应该是电源电压+V, 但实际上, 加到A点或是B点的电压为+V-Vgth左右, 在大电流大功率驱动中是不可取的, 直接导致在NMOS管的Q1或Q2发热量很高。
基于上述几点问题, 对大功率直流电机驱动的全桥驱动基本电路做如下改进。
第一, 通过软件设置死区带的截止时间, 使其Q1～Q4的导通时间不在同一时间内加高电平, 另外在硬件上通过电路缩短截止时间。
第二, 通过软件控制急刹车办法, 迅速消除电机的反向感应电动势。
第三, 通过硬件电路抬高加载到Q1和Q2的NMOS管的G (门) 极电压, 保证VGS的导通电压在电源电压之上, 即VGS=+V+V g t h。
改进后的大功率直流电机全桥驱动上半部分电路 (下半部分是对称的) 如图1所示。
在图1中, 当P1A为高电平时, 三极管Q5导通, 使得三极管Q6也导通, 加到Q1的栅极G1点的电压为36 V, 由于G1点电压大于电源电压, 保证了Q1的VGS大于Q1的内部Vgth门限电压值4 V, 从而使得Q1导通时A点的电压为24 V电源电压。同样的道理, 当Q2导通时, 加到B点的电压也可以达到24 V电源电压。因此, 大大减少电源电压在NMOS管Q1和Q2上电源损耗, 降低了在Q1和Q2管子上的发热量, 提高了电源功率的利用率。
NMOS管Q1的栅极G1点外接下拉电阻, 起到加速Q1截止时间作用, 减少死区带宽度。
在驱动大功率电机中, 当电机出现卡死现象时, 导致电机大量发热, 严重的情况就是将电机直接烧毁, 而这时流入电机的电流也是最大, 设计过流电路以保护电机是大功率电机驱动中必须做的一项工作。
常用的办法就是在负载中串入一个大功率电阻, 而大功率电阻阻值最小也只能到0.5欧左右, 所承载的功率大约10 W左右。根据P=I2R公式计算出, 流过该大功率的电阻的最大电流也就4～5 A左右, 并且大功率电阻的体积大, 在有限空间的电路板上并不适合, 加上90 W的大功率电机出现卡死现象, 电流一般都超过20 A。
由于NMOS管的导通电阻只有几十个毫欧, 相当于12～18个0.5欧大功率电阻的并联效果, 并且体积很小, 应用在大功率大电流电路检测中是最佳方案。设计的硬件电路如图2所示。
在图2中, 将NMOS管Q13串联在电机电路中, 流过Q13的电流也即电机的工作电流, 由于NMOS管Q13内阻只有几十毫欧, 正常工作时, 流过电机的电流不超过10 A, 在Q13的漏极C点产生的电压不超过0.4 V, 对加载到电机上正常工作电源电压可以忽略不计, C点的电压经过U1A运算放大同相放大5倍, 送到ADC端口的电压为5倍的C点检测电压值。正常工作时, ADC端点的电压不超过2 V, ADC的电压信号由单片机负责采样, 并转换成数字信号由单片机进行处理, 作出相应的动作。
显然, 当电机过载时, 使得C点电压骤然增大, 导致ADC点的电压达到并超过4 V, 这时, 单片机采样到该电压值, 使电机停止工作, 从采样电压到单片机执行保护动作, 大约在几个微秒时间内即可完成, 从而有效地保护了电机。
在本系统中, 单片机采用由Atmel公司生产的AVR单片机, 主要用来控制电机起倒和过载以及检测起靶是否到位和隐靶是否到位。
利用单片机PA0引脚的ADC采样电机过载电流信号给MCU, PD4～PD7用于驱动全桥电路的四个臂端, 保证电机正常运转。
由全桥电路驱动电机将训练靶拉起相对于地面成90°角或是将训练靶从与地面成90°角放倒在地面成0°角。这时我们需要用传感器来检测靶子是否已经到了拉起与地面成90°角的位置, 或是已经放倒与地面成0°角, 否则若没有检测电路, 电机就不知道已将训练靶拉过了或未拉到位, 或是已经放倒在地面, 还要继续放倒, 这对于电机, 以及电机驱动电路来说是致命的, 甚至烧毁电机及电机驱动电路。
检测靶是否到位可用两种方法来实现。一种是采用限位开关来实现, 但由于限位开关是机械结构, 而训练靶在被电机拉起或放倒时的冲击力很大, 很容易将限位开关损坏, 达不到检测的效果。另一种是采用非接触式红外开关或是霍尔开关来实现, 霍尔开关由于具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点, 能在各类恶劣环境下可靠的工作。
因此, 本系统中采用了两个霍尔开关分别用于检测起靶是否到位和隐靶是否到位, 由霍尔开关Vout输出的信号分别连接到单片机的PA6和PA7引脚上, 由U2单片机通过检测PA6和PA7引脚是否为低电平就可以判断训练靶是否到位了。
摘要：本文介绍了基于Atmega32单片机的一种无线自动报靶系统中电机控制电路硬件设计。主要对系统射击训练靶机控制系统中的大功率电机驱动电路、电机过流检测电路、单片机控制电路和靶到位检测电路的设计进行了论述。
关键词：单片机,控制电路,过流检测
[1] 陈晗, 张超凡, 周金鹏.步兵野外战术考核自动化报靶系统[J].兵工自动化, 2 0 0 7, 7:6 7-6 9.
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