24 V直流電機控制系統(tǒng)的設計

摘要：在PWM直流調速原理的基礎上，設計了一種基于PICl6F690單片機和MOSFET的24 V直流無刷電機驅動器。介紹了以PICl6F690單片機為核心的控制系統(tǒng)實現(xiàn)方法，給出了設計的總體框圖，部分硬件電路和控制軟件流程圖。該驅動器現(xiàn)已投入生產，經實際應用表明，該設計具有結構簡單、精確、高效等特點，能夠滿足實際工程應用的要求。
關鍵詞：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，一直處在調速領域主導地位。傳統(tǒng)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(tǒng)已成為直流調速系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。
為配套24 V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PICl6F690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(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 PWM直流調速原理
在PWM調速系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)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(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，即可控制電機轉速。而且采用PWM技術構成的無級調速系統(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(tǒng)硬件設計
2．1 總體設計原理
系統(tǒng)要求電機能夠按照設定值運轉，并能實現(xiàn)正反轉控制，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、驅動電路等幾個部分，系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)速度的閉環(huán)控制。

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。