基于PIC16F690的直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速方法很多，如調(diào)壓調(diào)速、弱磁調(diào)速等，它們存在著調(diào)速響應(yīng)慢、精度差、調(diào)速裝置復(fù)雜等缺點(diǎn)。隨著全控式電力電子器件技術(shù)的發(fā)展， 以大功率晶體管作為開(kāi)關(guān)器件的直流脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)速系統(tǒng)已成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

為配套24V直流電機(jī)，設(shè)計(jì)了一種直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。采用美國(guó)Microchip公司的PIC16F690單片機(jī)作為控制器， MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件， 配以相應(yīng)的控制軟件構(gòu)成控制系統(tǒng)。實(shí)踐表明，整個(gè)系統(tǒng)的精度、快速性以及可靠性等指標(biāo)都能滿足實(shí)際需求。

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和調(diào)試中采取了必要的抗干擾措施， 具體有如下幾點(diǎn)：

　　(1)合理布置電源濾波、退耦電容;

　　(2)分區(qū)布局， 將數(shù)字電路與模擬電路分開(kāi);

　　(3)合理設(shè)計(jì)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(diào)速原理

在PWM 調(diào)速系統(tǒng)中，一般可以采用定寬調(diào)頻、調(diào)寬調(diào)頻、定頻調(diào)寬3 種方法改變控制脈沖的占空比，但是前兩種方法在調(diào)速時(shí)改變了控制脈寬的周期，從而引起控制脈沖頻率的改變， 當(dāng)該頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)將會(huì)引起振蕩。為避免之，設(shè)計(jì)采用定頻調(diào)寬改變占空比的方法來(lái)調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓。

定頻調(diào)寬法的基本原理是按一個(gè)固定頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開(kāi)的時(shí)間比(占空比)來(lái)改變直流電機(jī)電樞上電壓的占空比，從而改變平均電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在PWM 調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。而且采用PWM 技術(shù)構(gòu)成的無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，啟停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)無(wú)沖擊， 并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。為了說(shuō)明問(wèn)題，現(xiàn)假定電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為Vmax, 占空比為D = t /T, 則電機(jī)的平均速度Vd = D*Vmax, 由公式可知，當(dāng)改變占空比D = t /T 時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度Vd,從而達(dá)到調(diào)速的目的。

在一般應(yīng)用中，可將平均速度與占空比D 近似地看成線性關(guān)系。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)要求電機(jī)能夠按照設(shè)定值運(yùn)轉(zhuǎn)，并能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，根據(jù)直流電機(jī)的PWM 控制要求，控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括單片機(jī)控制電路、光電隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路等幾個(gè)部分，系統(tǒng)的硬件原理框圖，如圖1所示?？刂菩盘?hào)送入PIC 單片機(jī)模擬口，經(jīng)過(guò)處理后，輸出PWM控制脈沖，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性，在單片機(jī)控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路之間用光電耦合器( TLP521) 實(shí)現(xiàn)電氣隔離， 隔離后的控制信號(hào)經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路產(chǎn)生電機(jī)邏輯控制信號(hào)， 分別控制H橋的上下臂，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和調(diào)速的目的， 同時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速能通過(guò)編碼器反饋給單片機(jī)， 實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。

　　
圖1 控制系統(tǒng)原理框圖

2.2 控制電路

在單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)中， 選用美國(guó)Microchip公司的PIC16F690單片機(jī)， 與其他系列單片機(jī)相比， 它的最大優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在引腳少、功能強(qiáng)、可直接帶LED負(fù)載; 具有低耗能工作方式， 較簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù);外圍配置簡(jiǎn)單、明晰、提高了整機(jī)的可靠性; 并且具有較強(qiáng)的抗干擾性， 大大提高了抵御外界的電磁干擾和本機(jī)控制電路的電磁干擾的能力， 從而提高了工業(yè)電腦自動(dòng)控制器的適應(yīng)能力。

設(shè)計(jì)中， 要求電壓和電流信號(hào)都能作為控制信號(hào)， 達(dá)到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速目的， 為此先設(shè)計(jì)了一個(gè)電流/電壓轉(zhuǎn)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(jī)中進(jìn)行處理。在采樣電阻的兩端并聯(lián)一個(gè)瞬態(tài)二極管， 起到保護(hù)的作用， 電容的存在可以起到濾波作用， 令輸入到單片機(jī)的電壓信號(hào)更加穩(wěn)定。

　　
圖2 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路

由于電機(jī)在正常工作時(shí)對(duì)電源的干擾很大， 如果只用一組電源會(huì)影響單片機(jī)的正常工作， 所以選用雙電源供電。電源系統(tǒng)采用DC /DC 轉(zhuǎn)換芯片IB1215LS- 1W 和IB1209LS - 1W, 電路設(shè)計(jì)， 如圖3 所示。

為防止瞬時(shí)輸入電壓過(guò)大， 在電源入口放置穩(wěn)壓芯片7818, 再經(jīng)過(guò)瞬態(tài)二極管的降壓， 最后進(jìn)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(wǎng)絡(luò)， 可以進(jìn)一步減少輸入輸出紋波， 利用這兩路電壓經(jīng)過(guò)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(tǒng)， 分別給單片機(jī)控制電路和驅(qū)動(dòng)電路供電。

　　
圖3 系統(tǒng)的電源電路設(shè)計(jì)

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

由于功率MOSFET 是壓控元件， 具有輸入阻抗大、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)， 滿足高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作需求， 因此采用IR 公司的場(chǎng)效應(yīng)管IRF9540和IRF540構(gòu)成H 橋電路的橋臂。H 橋電路中的4個(gè)功率MOSFET 分別采用n溝道型和p溝道型， 設(shè)計(jì)的電路原理， 如圖4所示。

數(shù)字電平上下跳變時(shí)， 集成電路耗電發(fā)生突變，引起電源產(chǎn)生毛刺。數(shù)字電路越復(fù)雜， 數(shù)據(jù)速率越高， 累計(jì)的電流跳變?cè)綇?qiáng)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(chǎn)生的電壓毛刺， 這種噪聲會(huì)嚴(yán)重干擾電路。為了實(shí)現(xiàn)模擬電路和數(shù)字電路的隔離， 提高信噪比， 有效的抑制噪聲對(duì)模擬電路的干擾， 在PWM 信號(hào)從控制系統(tǒng)引出之后， 需要經(jīng)過(guò)光電隔離， 才能送入驅(qū)動(dòng)電路。在不影響驅(qū)動(dòng)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(jià)格因素。

　　
運(yùn)放2902在電路中用作比較器， 把輸入邏輯信號(hào)同基準(zhǔn)電壓比較， 轉(zhuǎn)換成接近功率電源電壓幅度的方波信號(hào)。運(yùn)放的輸入電壓范圍不能接近負(fù)電源電壓， 否則會(huì)出錯(cuò)。因此在運(yùn)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(shí)把輸入端降為低電平。

當(dāng)運(yùn)放2902 輸出端為低電平時(shí)， 三極管Q25截止， 場(chǎng)效應(yīng)管Q23導(dǎo)通。三極管Q16導(dǎo)通， 場(chǎng)效應(yīng)管Q19截止， 輸出為高電平。當(dāng)運(yùn)放輸出端為高電平時(shí)，三極管Q25導(dǎo)通， 場(chǎng)效應(yīng)管Q23截止。三極管Q16截止， 場(chǎng)效應(yīng)管Q19導(dǎo)通， 輸出為低電平。

　
圖4 基于MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)， 在M plab集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行編譯、仿真， 用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件的功能，不但可以降低成本， 提高系統(tǒng)的可靠性， 還能簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)， 但其缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間比用硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)， 而且還要占用CPU 時(shí)間。設(shè)計(jì)過(guò)程中， 在滿足可行性和實(shí)時(shí)性的前提下盡可能地將硬件功能用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)， 系統(tǒng)主程序流程圖， 如圖5所示。

　　
圖5 控制系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

干擾現(xiàn)象是電路調(diào)試和設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮和重點(diǎn)解決的問(wèn)題， 不同電路其干擾源千差萬(wàn)別， 干擾傳播途徑也多種多樣， 干擾現(xiàn)象也各不相同， 但它們?nèi)杂泄残浴Ｔ诳刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)中， 將控制電路和驅(qū)動(dòng)電路分兩塊板布局， 其中驅(qū)動(dòng)板的PCB 設(shè)計(jì)， 如圖6 所示，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明， 抗干擾措施取得了較理想的效果。

圖6 驅(qū)動(dòng)電路PCB板設(shè)計(jì)圖