基于PIC16F690的直流無刷電機驅動器設計

傳統的直流電機調速方法很多，如調壓調速、弱磁調速等，它們存在著調速響應慢、精度差、調速裝置復雜等缺點。隨著全控式電力電子器件技術的發(fā)展， 以大功率晶體管作為開關器件的直流脈寬調制(PWM)調速系統已成為直流調速系統的主要發(fā)展方向。

為配套24V直流電機，設計了一種直流無刷電機驅動器。采用美國Microchip公司的PIC16F690單片機作為控制器， MOSFET為驅動元件， 配以相應的控制軟件構成控制系統。實踐表明，整個系統的精度、快速性以及可靠性等指標都能滿足實際需求。

系統在設計和調試中采取了必要的抗干擾措施， 具體有如下幾點：

　　(1)合理布置電源濾波、退耦電容;

　　(2)分區(qū)布局， 將數字電路與模擬電路分開;

　　(3)合理設計地線;

　　(4)電流通路的面積最小;

　　( 5)盡量加粗接地線和電源線;

1 PWM 直流調速原理

在PWM 調速系統中，一般可以采用定寬調頻、調寬調頻、定頻調寬3 種方法改變控制脈沖的占空比，但是前兩種方法在調速時改變了控制脈寬的周期，從而引起控制脈沖頻率的改變， 當該頻率與系統的固有頻率接近時將會引起振蕩。為避免之，設計采用定頻調寬改變占空比的方法來調節(jié)直流電動機電樞兩端電壓。

定頻調寬法的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開電源，并根據需要改變一個周期內接通和斷開的時間比(占空比)來改變直流電機電樞上電壓的占空比，從而改變平均電壓，控制電機的轉速。在PWM 調速系統中，當電機通電時其速度增加，電機斷電時其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可控制電機轉速。而且采用PWM 技術構成的無級調速系統，啟停時對直流系統無沖擊， 并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定的優(yōu)點。為了說明問題，現假定電機始終接通電源時，電機最大轉速為Vmax, 占空比為D = t /T, 則電機的平均速度Vd = D*Vmax, 由公式可知，當改變占空比D = t /T 時，就可以得到不同的電機平均速度Vd,從而達到調速的目的。

在一般應用中，可將平均速度與占空比D 近似地看成線性關系。

2 系統硬件設計

2.1 總體設計原理

系統要求電機能夠按照設定值運轉，并能實現正反轉控制，根據直流電機的PWM 控制要求，控制系統的硬件部分主要包括單片機控制電路、光電隔離電路、驅動電路等幾個部分，系統的硬件原理框圖，如圖1所示?？刂菩盘査腿隤IC 單片機模擬口，經過處理后，輸出PWM控制脈沖，為了提高系統的抗干擾性，在單片機控制電路和電機驅動電路之間用光電耦合器( TLP521) 實現電氣隔離， 隔離后的控制信號經電機驅動邏輯電路產生電機邏輯控制信號， 分別控制H橋的上下臂，從而實現電機的正反轉和調速的目的， 同時電機的轉速能通過編碼器反饋給單片機， 實現速度的閉環(huán)控制。

　　
圖1 控制系統原理框圖

2.2 控制電路

在單片機控制電路設計中， 選用美國Microchip公司的PIC16F690單片機， 與其他系列單片機相比， 它的最大優(yōu)點表現在引腳少、功能強、可直接帶LED負載; 具有低耗能工作方式， 較簡便地實現掉電保護;外圍配置簡單、明晰、提高了整機的可靠性; 并且具有較強的抗干擾性， 大大提高了抵御外界的電磁干擾和本機控制電路的電磁干擾的能力， 從而提高了工業(yè)電腦自動控制器的適應能力。

設計中， 要求電壓和電流信號都能作為控制信號， 達到控制電機的轉向及轉速目的， 為此先設計了一個電流/電壓轉換電路， 如圖2所示。若輸入4~20mA 控制電流， 則可以在采樣電阻R44上形成0 4~2 V 的電壓值， 輸入到單片機中進行處理。在采樣電阻的兩端并聯一個瞬態(tài)二極管， 起到保護的作用， 電容的存在可以起到濾波作用， 令輸入到單片機的電壓信號更加穩(wěn)定。

　　
圖2 電流/電壓轉換電路

由于電機在正常工作時對電源的干擾很大， 如果只用一組電源會影響單片機的正常工作， 所以選用雙電源供電。電源系統采用DC /DC 轉換芯片IB1215LS- 1W 和IB1209LS - 1W, 電路設計， 如圖3 所示。

為防止瞬時輸入電壓過大， 在電源入口放置穩(wěn)壓芯片7818, 再經過瞬態(tài)二極管的降壓， 最后進入DC /DC芯片， 得到兩路電壓15 V 和9 V, 電感L 1 和L2 的作用是組成 LC濾波網絡， 可以進一步減少輸入輸出紋波， 利用這兩路電壓經過三端穩(wěn)壓芯片78L05就可以得到需要的5 V和+ 5 V 兩路電源系統， 分別給單片機控制電路和驅動電路供電。

　　
圖3 系統的電源電路設計

2.3 驅動電路

由于功率MOSFET 是壓控元件， 具有輸入阻抗大、開關速度快、無二次擊穿現象等特點， 滿足高速開關動作需求， 因此采用IR 公司的場效應管IRF9540和IRF540構成H 橋電路的橋臂。H 橋電路中的4個功率MOSFET 分別采用n溝道型和p溝道型， 設計的電路原理， 如圖4所示。

數字電平上下跳變時， 集成電路耗電發(fā)生突變，引起電源產生毛刺。數字電路越復雜， 數據速率越高， 累計的電流跳變越強烈， 高頻分量越豐富， 而普通印刷電路板不能完全吸收邏輯電平跳變產生的電壓毛刺， 這種噪聲會嚴重干擾電路。為了實現模擬電路和數字電路的隔離， 提高信噪比， 有效的抑制噪聲對模擬電路的干擾， 在PWM 信號從控制系統引出之后， 需要經過光電隔離， 才能送入驅動電路。在不影響驅動器整體性能的前提下， 使用TLP521- 1光電耦合器， 主要考慮的是價格因素。

　　
運放2902在電路中用作比較器， 把輸入邏輯信號同基準電壓比較， 轉換成接近功率電源電壓幅度的方波信號。運放的輸入電壓范圍不能接近負電源電壓， 否則會出錯。因此在運放輸入端增加了防止電壓范圍溢出的二極管D 13。輸入端的電阻R 50用于限流，R66用于在輸入懸空時把輸入端降為低電平。

當運放2902 輸出端為低電平時， 三極管Q25截止， 場效應管Q23導通。三極管Q16導通， 場效應管Q19截止， 輸出為高電平。當運放輸出端為高電平時，三極管Q25導通， 場效應管Q23截止。三極管Q16截止， 場效應管Q19導通， 輸出為低電平。

　
圖4 基于MOSFET的驅動電路設計

3 系統軟件設計

軟件設計采用匯編語言編寫， 在M plab集成開發(fā)環(huán)境中進行編譯、仿真， 用軟件來實現硬件的功能，不但可以降低成本， 提高系統的可靠性， 還能簡化硬件結構， 但其缺點是響應時間比用硬件實現長， 而且還要占用CPU 時間。設計過程中， 在滿足可行性和實時性的前提下盡可能地將硬件功能用軟件來實現， 系統主程序流程圖， 如圖5所示。

　　
圖5 控制系統主程序流程圖

4 結語

干擾現象是電路調試和設計時必須考慮和重點解決的問題， 不同電路其干擾源千差萬別， 干擾傳播途徑也多種多樣， 干擾現象也各不相同， 但它們仍有共性。在控制系統設計中， 將控制電路和驅動電路分兩塊板布局， 其中驅動板的PCB 設計， 如圖6 所示，經實驗證明， 抗干擾措施取得了較理想的效果。

圖6 驅動電路PCB板設計圖