24 V直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：在PWM直流調(diào)速原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于PICl6F690單片機(jī)和MOSFET的24 V直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。介紹了以PICl6F690單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，給出了設(shè)計(jì)的總體框圖，部分硬件電路和控制軟件流程圖。該驅(qū)動(dòng)器現(xiàn)已投入生產(chǎn)，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明，該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精確、高效等特點(diǎn)，能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用的要求。
關(guān)鍵詞：PICl6F690；MOSFET；24 V直流電機(jī)；PWM

    電動(dòng)機(jī)分為交流電機(jī)和直流電機(jī)兩大類。長(zhǎng)期以來，直流電機(jī)以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能、較強(qiáng)的過載能力成為大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇，一直處在調(diào)速領(lǐng)域主導(dǎo)地位。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24 V直流電機(jī)，設(shè)計(jì)了一種直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。采用美國(guó)Microchip公司的PICl6F690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。

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)固定頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開的時(shí)間比(占空比)來改變直流電機(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)成的無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，啟停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。為了說明問題，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)速能通過編碼器反饋給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。

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PICl6F690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。

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    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4～20 mA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。

    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IBl215LS-1W和IBl209LS-1W，電路設(shè)計(jì)，如圖3所示。為防止瞬時(shí)輸入電壓過大，在電源入口放置穩(wěn)壓芯片7818，再經(jīng)過瞬態(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L1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。
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、開關(guān)速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)，滿足高速開關(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D13。輸入端的電阻R50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Q24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。[!--empirenews.page--]

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)采用匯編語言編寫，在Mplab集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行編譯、仿真，用軟件來實(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實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)主程序流程圖，如圖5所示。

4 結(jié)束語
    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(xiàn)象也各不相同，但它們?nèi)杂泄残浴Ｏ到y(tǒng)在設(shè)計(jì)和調(diào)試中就考慮了這些共性因素，并結(jié)合具體工作環(huán)境和各部分功能電路，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；
    (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；
    在控制系統(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。

    經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，該控制系統(tǒng)具有精確、快速、高效、可靠等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，現(xiàn)已投入生產(chǎn)，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。