單片機的比例電磁鐵控制技術(shù)

引言

比例電磁鐵作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于各種自動化控制系統(tǒng)中；比例電磁鐵的推力大，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，成本低廉，是應(yīng)用非常廣泛的電—機械轉(zhuǎn)換器[1]；比例電磁鐵的特性及工作的可靠性，對于整個控制系統(tǒng)具有十分重要的影響，是決定控制系統(tǒng)品質(zhì)的關(guān)鍵部件之一。比例電磁鐵作為電—機械轉(zhuǎn)換元件，其功能是將比例控制放大器輸給的電流信號，轉(zhuǎn)換成位移或者力信號輸出。

比例電磁鐵適用于直流電壓為24V比例控制放大器的控制線路中，作為連續(xù)地、按比例地控制系統(tǒng)執(zhí)行元件的運動、速度和方向的動力元件。比例電磁鐵在其額定行程范圍內(nèi)的推力與通入其線圈的電流成正比，可在其他需要作用力自動控制的裝置上作為線性動力元件，如自動油門控制等。當(dāng)電磁鐵與單片機一起構(gòu)成一個自動控制系統(tǒng)時由于電磁鐵的工作電壓較高工作電流較大，因此單片機與比例電磁鐵之間接口電路的設(shè)計是一個關(guān)鍵。


隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，比例電磁鐵的需求量與日俱增，在各個控制領(lǐng)域都有應(yīng)用。下面介紹比例電磁鐵的控制技術(shù)。

1 PWM驅(qū)動的基本原理及特點

PWM（Pulse Width Modulation,脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期來達到變壓、變頻目的的一種控制技術(shù)[2]。也就是用脈沖寬度不等的一系列等幅值的矩形脈沖去逼近一個所需要的電流或電壓信號。

PWM驅(qū)動電路，是廣泛應(yīng)用于高精度控制系統(tǒng)的驅(qū)動形式。這種電路能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍的速度和位置控制，較之常規(guī)驅(qū)動方式具有無可比擬的優(yōu)點。PWM驅(qū)動電路線路簡單、快速性好、線性度好、效率高的優(yōu)點，使其廣泛應(yīng)用于測量、通信、功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。本設(shè)計利用PWM驅(qū)動電路所需大功率可控器件少、調(diào)速范圍寬、快速性好、效率高，功耗低的特點，用C8051F005單片機直接輸出的PWM信號經(jīng)過驅(qū)動電路，然后配合合適的控制算法（PID算法或模糊控制算法等）去控制比例電磁鐵，可實現(xiàn)離合器的精確控制，對于電控離合器控制系統(tǒng)的研究有很好的參考價值。

2 比例電磁鐵與單片機接口電路

2.1 單片機概述

本控制系統(tǒng)采用的單片機是美國Silabs公司推出的C8051F005型單片機[3]。它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，有1個真正的12位多通道ADC、1個可編程增益放大器、2個12位DAC、2個電壓比較器、1個電壓基準、1個具有32KB Flash存儲器并與8051兼容的微控制器內(nèi)核，還有硬件實現(xiàn)的（不是在用戶軟件中用位操作模擬）I2C/SMBus、UART、SPI串行接口和1個具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA），以及4個通用的16位定時器和4字節(jié)寬的通用數(shù)字I/O端口。C8051F005有2304字節(jié)的RAM，執(zhí)行速度可達25MIPS；具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、WDT和時鐘振蕩器，是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)，能有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè)。Flash存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。MCU可以關(guān)閉任何一個或全部外設(shè)，以降低功耗。

C8051F005型單片機可在工業(yè)溫度范圍（－45～+85 ℃）內(nèi)用2.7～3.6 V的電壓工作。端口I/O、RST和JTAG引腳都容許5 V的輸入信號電壓。

2.2 PWM信號輸出及比例電磁鐵驅(qū)動電路

C8051F005 MCU有一個片內(nèi)可編程計數(shù)器/定時器陣列PCA。PCA包括1個專用的16位計數(shù)器/定時器時間基準和5個可編程的捕捉/比較模塊。時間基準的時鐘可以是下面的4個時鐘源之一：系統(tǒng)時鐘/12、系統(tǒng)時鐘/4、定時器0溢出或外部時鐘輸入（ECI）。

每個捕捉/比較模塊都有自己的I/O線（CEXn線），當(dāng)允許它工作時，CEXn線通過功能選擇開關(guān)連到端口的某個引腳。每個捕捉/比較模塊都有4種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、脈沖寬度調(diào)制（PWM）。PCA捕捉/比較模塊的I/O和外部時鐘輸入可以通過數(shù)字交叉開關(guān)連到MCU的端口I/O引腳。

由PCA輸出8位PWM信號（占空比可變）程序如下：

　　＄ include (c8051F005.inc)
　　ORG 0000H
　　LJMP MAIN
　　ORG 0073H；定時器3的中斷入口

p; 　　LJMP INTERT33
MAIN:
　　MOV WDTCN, #0DEH；禁止看門狗定時器
　　MOV WDTCN, #0ADH
　　MOV OSCICN, #84H；選擇內(nèi)部振蕩器為12 MHz
　　MOV XBR0, #08H；選擇CEX0引腳連到P0.0
　　MOV XBR2, #40H；允許功能選擇開關(guān)
　　ORL PRT0CF, #00000001B；選擇P0.0為推拉方式
　　MOV TMR3RLL, #0B0H；給定時器3低字節(jié)賦初值
　　MOV TMR3RLH, #0A0H；給定時器3高字節(jié)賦初值
　　MOV PCA0CPH0, #0FFH；給PCA捕捉模塊高字節(jié)賦初值
　　MOV PCA0CPL0, #0FFH；給PCA捕捉模塊低字節(jié)賦初值
　　MOV PCA0MD, #08H；選擇PCA的時鐘源為系統(tǒng)時鐘，禁止CF中斷
　　MOV PCA0CPM0, #42H；選擇8位脈寬調(diào)制輸出方式，并啟動開始
　　MOV PCA0CN, #40H；允許PCA工作
　　MOV IE, #080H；CPU開中斷
　　MOV EIE2, #1；T3開中斷
　　MOV TMR3CN, #00000110B；啟動T3工作，T3使用系統(tǒng)時鐘源
　　SJMP ＄
INTERT33:
　　MOV A, TMR3CN；清除T3的標(biāo)志位TF3
　　ANL A, #7FH
　　MOV TMR3CN, A
　　DEC PCA0CPH0；占空比的改變
　　RETI

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要，通過修改PCA0CPH0可以得到不同占空比的PWM信號。

本控制系統(tǒng)采用C8051F005單片機的PCA由軟件實現(xiàn)8位分辨率的PWM輸出。PWM信號通過CEXn線由功能選擇開關(guān)連到MCU的端口I/O引腳輸出，PWM輸出信號通過驅(qū)動電路可驅(qū)動比例電磁鐵。模塊的捕捉/比較寄存器PCA0CPLn和PCA0CPHn中存放PWM輸出信號占空比高電平時間值。如果需要改變占空比，可在運行中改變PCA0CPHn的值，比例電磁鐵的推桿位移與PCA0CPHn的值成比例。

在驅(qū)動電路中需要將PWM輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為比例電磁鐵的控制電流信號，而且要保證較好的比例特性關(guān)系。利用場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性[4]，當(dāng)場效應(yīng)管的漏源極之間的電壓VDS保持不變時，漏極電流ID與柵源之間電壓VGS的關(guān)系稱為“轉(zhuǎn)移特性”，其表達式為：

本控制電路采用了大功率場效應(yīng)晶體管IRL3803，其電流輸出足夠驅(qū)動比例電磁鐵的動作。IRL3803的漏極電流ID和柵源電壓VGS具有很好的線性關(guān)系，將柵極與C8051F005單片機的P0.0口（通過軟件編程PCA選擇的PWM信號輸出引腳），將IRL3803的漏極與比例電磁鐵相連。本電路中，比例電磁鐵是GP80，其額定吸力是120 N，行程為8 mm，額定電壓為24 V。

在進行控制時，通過改變輸入到比例電磁鐵開關(guān)電信號“占空比”來實現(xiàn)控制電流的大小。占空比越大，通過電磁鐵線圈的控制電流越大，控制輸出的位移也越大。

比例電磁鐵驅(qū)動電路如圖1所示。在驅(qū)動電路中，R1是限流電阻，使IRL3803管導(dǎo)通；D1是導(dǎo)向二極管，給IRL3803管提供正確的電壓極性；二極管D2起保護作用，避免過壓時損壞比例電磁鐵。比例電磁鐵由24 V電壓直接供電。

結(jié)語

C8051F005單片機的集成度高，外圍電路少，其高速執(zhí)行指令的特性能精確控制比例電磁鐵；C8051F005內(nèi)核與普通51系列兼容，且指令簡單易學(xué)，可縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。比例電磁鐵作為電—機械轉(zhuǎn)換器件，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。基于C8051F005單片機的比例電磁鐵控制系統(tǒng)能達到精度高、穩(wěn)定性好的要求，硬件電路簡單、工作可靠。在應(yīng)用系統(tǒng)中，根據(jù)需要直接由單片機的I/O口輸出固定占空比或可變占空比PWM信號，配以一定的控制算法，軟件編程清晰且容易實現(xiàn)，具有很好的推廣價值。


參考文獻

[1] 路甬祥.液壓氣動手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.
[2] 金英,潘再平.脈寬調(diào)制控制方法研究 [J].科技通報,2005(1):3033.
[3] 張迎新,等.C8051F系列SOC單片機原理及應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2001.
[4] 楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M]. 第2版.北京:高等教育出版社,1999.
[5] 王尚勇,楊青.柴油機電子控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.