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(wú)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(lèi)。長(zhǎng)期以來(lái)，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(guò)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(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24 V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(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。控制信號(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。

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。