24V直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、24 V直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計時間：2010-08-10 10:14:58 來源：電子科技 作者：漢澤西，徐 岳，甘志強 西安石油大學(xué)摘要：在PWM直流調(diào)速原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于PICl6F690單片機和MOSFET的24 V直流無刷電機驅(qū)動器。介紹了以PICl6F690單片機為核心的控制系統(tǒng)實現(xiàn)方法，給出了設(shè)計的總體框圖，部分硬件電路和控制軟件流程圖。該驅(qū)動器現(xiàn)已投入生產(chǎn)，經(jīng)實際應(yīng)用表明，該設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單、精確、高效等特點，能夠滿足實際工程應(yīng)用的要求。關(guān)鍵詞：PICl6F690；MOSFET；24 V直流電機；PWM 電動機分為交流電機和直流電機兩大類。長期以來，直流電機以其良好的線

2、性特性、優(yōu)異的控制性能、較強的過載能力成為大多數(shù)變速運動控制和閉環(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。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，設(shè)計了一種直流無刷電機驅(qū)動器。采用美國Microchip公司的PICl6F690單片機作為控制器，MOSFET為驅(qū)動元件，配以相應(yīng)的控制軟件構(gòu)成控制系統(tǒng)。實踐表明，整個系統(tǒng)的精度、快速性以及可靠性等指標都能滿足實際需求。1 P

3、WM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(tǒng)的固有頻率接近時將會引起振蕩。為避免之，設(shè)計采用定頻調(diào)寬改變占空比的方法來調(diào)節(jié)直流電動機電樞兩端電壓。 定頻調(diào)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(jù)需要改變一個周期內(nèi)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(zhuǎn)速。在PWM調(diào)速系統(tǒng)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(zhuǎn)速。而

4、且采用PWM技術(shù)構(gòu)成的無級調(diào)速系統(tǒng)，啟停時對直流系統(tǒng)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(xiàn)假定電機始終接通電源時，電機最大轉(zhuǎn)速為Vmax，占空比為D=tT，則電機的平均速度Vd=D-*Vmax，由公式可知，當改變占空比D=tT時，就可以得到不同的電機平均速度Vd，從而達到調(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21 總體設(shè)計原理 系統(tǒng)要求電機能夠按照設(shè)定值運轉(zhuǎn)，并能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，根據(jù)直流電機的PWM控制要求，控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括單片機控制電路、光電隔離電路、驅(qū)動電路等幾個部分，系統(tǒng)的硬件原理框圖，如圖1所示。控制信號送入

5、PIC單片機模擬口，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，在單片機控制電路和電機驅(qū)動電路之間用光電耦合器(TLP521)實現(xiàn)電氣隔離，隔離后的控制信號經(jīng)電機驅(qū)動邏輯電路產(chǎn)生電機邏輯控制信號，分別控制H橋的上下臂，從而實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)和調(diào)速的目的，同時電機的轉(zhuǎn)速能通過編碼器反饋給單片機，實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。22 控制電路 在單片機控制電路設(shè)計中，選用美國Microchip公司的PICl6F690單片機，與其他系列單片機相比，它的最大優(yōu)點表現(xiàn)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(xiàn)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

6、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(yīng)能力。 設(shè)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(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速目的，為此先設(shè)計了一個電流電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。若輸入420 mA控制電流，則可以在采樣電阻R44上形成042 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(lián)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。 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(tǒng)采用DCDC轉(zhuǎn)換芯片IBl215LS-1W和IBl2

7、09LS-1W，電路設(shè)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(jīng)過瞬態(tài)二極管的降壓，最后進入DCDC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)，分別給單片機控制電路和驅(qū)動電路供電。23 驅(qū)動電路 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，滿足高速開關(guān)動作需求，因此采用IR公司的場效應(yīng)管IRF9540和IRF540構(gòu)成H橋電路的橋臂。H橋電路中的4個功率MOSFET分別采用n

8、溝道型和p溝道型，設(shè)計的電路原理，如圖4所示。 數(shù)字電平上下跳變時，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(chǎn)生的電壓毛刺，這種噪聲會嚴重干擾電路。為了實現(xiàn)模擬電路和數(shù)字電路的隔離，提高信噪比，有效的抑制噪聲對模擬電路的干擾，在PWM信號從控制系統(tǒng)引出之后，需要經(jīng)過光電隔離，才能送入驅(qū)動電路。在不影響驅(qū)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(zhuǎn)換成接近功率電源電壓幅度的方波信號。運放的輸入

9、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D13。輸入端的電阻R50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(yīng)管Q23導(dǎo)通。三極管Q16導(dǎo)通，場效應(yīng)管Q19截止，輸出為高電平。當運放輸出端為高電平時，三極管Q24導(dǎo)通，場效應(yīng)管Q23截止。三極管Q16截止，場效應(yīng)管Q19導(dǎo)通，輸出為低電平。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件設(shè)計采用匯編語言編寫，在Mplab集成開發(fā)環(huán)境中進行編譯、仿真，用軟件來實現(xiàn)硬件的功能，不但可以降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性，還能簡化硬件結(jié)構(gòu)，但其缺點是響應(yīng)時間比用硬件實現(xiàn)長，而且還要占用CPU時間。設(shè)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(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(xiàn)象也各不相同，但它們?nèi)杂泄残?。系統(tǒng)在設(shè)計和調(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： (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)計地線；