24 V直流電機控制系統的設計

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(wú)刷電機驅動(dòng)器。介紹了以PICl6F690單片機為核心的控制系統實(shí)現方法，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(dòng)器現已投入生產(chǎn)，經(jīng)實(shí)際應用表明，該設計具有結構簡(jiǎn)單、精確、高效等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足實(shí)際工程應用的要求。
關(guān)鍵詞：PICl6F690；MOSFET；24 V直流電機；PWM

電動(dòng)機分為交流電機和直流電機兩大類(lèi)。長(cháng)期以來(lái)，直流電機以其良好的線(xiàn)性特性、優(yōu)異的控制性能、較強的過(guò)載能力成為大多數變速運動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制系統的最佳選擇，一直處在調速領(lǐng)域主導地位。傳統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(zhù)調速響應慢、精度差、調速裝置復雜等缺點(diǎn)。隨著(zhù)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)器件的直流脈寬調制(PWM)調速系統已成為直流調速系統的主要發(fā)展方向。
為配套24 V直流電機，設計了一種直流無(wú)刷電機驅動(dòng)器。采用美國Microchip公司的PICl6F690單片機作為控制器，MOSFET為驅動(dòng)元件，配以相應的控制軟件構成控制系統。實(shí)踐表明，整個(gè)系統的精度、快速性以及可靠性等指標都能滿(mǎn)足實(shí)際需求。

1 PWM直流調速原理
在PWM調速系統中，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(shí)改變了控制脈寬的周期，從而引起控制脈沖頻率的改變，當該頻率與系統的固有頻率接近時(shí)將會(huì )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(lái)調節直流電動(dòng)機電樞兩端電壓。
定頻調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，并根據需要改變一個(gè)周期內接通和斷開(kāi)的時(shí)間比(占空比)來(lái)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調速系統中，當電機通電時(shí)其速度增加，電機斷電時(shí)其速度減低。只要按照一定的規律改變通、斷電的時(shí)間，即可控制電機轉速。而且采用PWM技術(shù)構成的無(wú)級調速系統，啟停時(shí)對直流系統無(wú)沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運行穩定的優(yōu)點(diǎn)。為了說(shuō)明問(wèn)題，現假定電機始終接通電源時(shí)，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(shí)，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(xiàn)性關(guān)系。

2 系統硬件設計
2．1 總體設計原理
系統要求電機能夠按照設定值運轉，并能實(shí)現正反轉控制，根據直流電機的PWM控制要求，控制系統的硬件部分主要包括單片機控制電路、光電隔離電路、驅動(dòng)電路等幾個(gè)部分，系統的硬件原理框圖，如圖1所示?？刂菩盘査腿隤IC單片機模擬口，經(jīng)過(guò)處理后，輸出PWM控制脈沖，為了提高系統的抗干擾性，在單片機控制電路和電機驅動(dòng)電路之間用光電耦合器(TLP521)實(shí)現電氣隔離，隔離后的控制信號經(jīng)電機驅動(dòng)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(shí)現電機的正反轉和調速的目的，同時(shí)電機的轉速能通過(guò)編碼器反饋給單片機，實(shí)現速度的閉環(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(diǎn)表現在引腳少、功能強、可直接帶LED負載；具有低耗能工作方式，較簡(jiǎn)便地實(shí)現掉電保護；外圍配置簡(jiǎn)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(dòng)控制器的適應能力。