基于MSK4226的直流有刷電機四象限控制

摘要：在設計中使用MSP430F169單片機提供控制電機需要的PWM信號，通過(guò)電機驅動(dòng)芯片MSK4226實(shí)現直流電機的四象限運行;驅動(dòng)芯片上的電流測量環(huán)節保證電機運動(dòng)中不發(fā)生堵轉;最后比較了電機直接啟動(dòng)與四象限控制中的響應速度與達到穩態(tài)的時(shí)間。

0 引言

本文主要介紹了一種直流電機的四象限控制器?？刂破饕詥纹瑱CMSP430F169作為控制核心，利用單片機的PWM功能，可發(fā)生多通道占空比可調的PWM信號;PWM信號通過(guò)電機驅動(dòng)芯片MSK4226將電機兩端的電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，控制電機轉速與轉向;單片機實(shí)時(shí)監測驅動(dòng)芯片上的電機電流，發(fā)生過(guò)流時(shí)采取保護;在文章的最后比較了電機四象限控制與單像控制，總結出了四象限控制的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 控制原理及方法

1.1 PWM控制原理

直流電動(dòng)具有慣性環(huán)節，直流電機的數學(xué)模型相當于一個(gè)電阻和電感串聯(lián)而成，而沖量相等而形狀不同的窄脈_加在具有慣性的環(huán)節上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈_的面積，效果基本相同是指環(huán)節的輸出響應波形基本相同。

PWM(脈沖寬度調制)控制通過(guò)對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調制，來(lái)等效地獲得所需要的波形(含形狀和幅值)。

PWM調速是利用PWM調制的方法，將恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，根據沖量相同的原則來(lái)改變平均輸出電壓的大小，以調節電機的轉速。

1.2 四象限控制

電機的單象限控制只能運行在電動(dòng)運轉狀態(tài)下，能量只能單向流動(dòng)。而電機的四象限控制電機能運行在電動(dòng)與發(fā)電狀態(tài)下，能量可雙向流動(dòng)。電機的四象限運動(dòng)分別為正向電動(dòng)、回饋發(fā)電制動(dòng)、反接制動(dòng)、反向電動(dòng)狀態(tài)。如圖1所示，以電機的轉速為縱坐標，以轉矩為橫坐標建立的直角坐標系描述的電機四種運行狀態(tài)。

為了實(shí)現電機在四象限內運行和切換，采用了雙極式PWM變換器。雙極式PWM變換器調節占空比來(lái)控制能量的流動(dòng)大小與方向，占空比> 50%，50%或等于50%分別實(shí)現I象限、II象限、III和Ⅳ象限電機運動(dòng)。

2 控制系統

硬件控制系統主要包括核心控制器、電機驅動(dòng)模塊及電機過(guò)流保護模塊。

2.1 PWM信號的發(fā)生

控制系統中，核心控制器采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F169單片機，該單片機具有兩個(gè)16位定時(shí)器A和B，利用定時(shí)器的捕獲、比較功能實(shí)現PWM信號發(fā)生。

本文中需要兩路頻率在1～2kHZ之間、占空比可調的PWM信號。首先選擇定時(shí)器A的時(shí)鐘為輔助時(shí)鐘并清除定時(shí)器，輔助時(shí)鐘頻率為32.76 8kHz;在定時(shí)器的捕獲比較寄存器0中調整PWM信號的周期;在獲比較寄存器1與2的值可分別調整兩路PWM信號的占空比;工作模式設置為PWM復位置位模式;計數器為增計數模式;設置端口P1.2、P1.3為PWM輸出端口。

2.2 電機驅動(dòng)模塊

本設計中PWM信號的功率放大主要通過(guò)功率模塊MSK4226實(shí)現。MSK4226內部集成了功率場(chǎng)效應管H橋，H橋自舉驅動(dòng)與控制電路。H橋場(chǎng)效應管具有低的導通電阻(典型值0.013 Ω)，最大75V的電源母線(xiàn)電壓，20A連續電流，可滿(mǎn)足系統功率要求。H橋自舉驅動(dòng)與控制電路包括H橋高低端場(chǎng)效應管驅動(dòng)、死區時(shí)間產(chǎn)生、直通保護及H橋關(guān)斷等電路。

2.3 控制電路

在本系統的雙極性PWM模式下，V1、V4開(kāi)關(guān)管控制端AHI與BLI并聯(lián)，V2、V2開(kāi)關(guān)管控制端ALI和BHI并聯(lián);MSP430F169單片機的端口P1.2 P1.3產(chǎn)生的兩路PWM信號控制這兩個(gè)并聯(lián)端。來(lái)自單片機的關(guān)斷信號接入驅動(dòng)芯片的關(guān)斷使能端DIS。功率肖特基二極管D1～D4分別反向并接在V1～V4上，當負載向電源反饋能量時(shí)起保護功率管的作用，其反向耐電壓應大于電源電壓，反向恢復時(shí)間10ns左右。電阻R1與電容C1構成緩沖網(wǎng)絡(luò )，用于抑制尖峰電壓。對于某些感性負載，可能導致MSK4226近似100ns數安培的直通現象。反向并接RSENSEA與地之間，RSENSEB與地之間的功率肖特基二極管用于抑制這種現象。

2.4 過(guò)流保護模塊

如圖2所示，在MSK4226的RSENSEA與RSENSEB引腳對地接0.01 Ω無(wú)感電阻，電機電流流過(guò)電阻，在電阻兩端電流取樣。取樣的電壓值經(jīng)過(guò)運算放大器放大后，AD采樣后傳輸給單片機作為判斷電機是否堵轉的依據。

3 電機四象限控制

3.1 第I象限工作-正轉電動(dòng)運行控制

在A(yíng)HI與BLI、ALI和BHI并聯(lián)的控制端輸入3.3～5V、開(kāi)關(guān)頻率小于200kHz的邏輯電平信號，兩路信號的頻率相同，相位相反。

當AHI與BLI端口輸入信號的占空比50%，而ALI和BHI端口信號的占空比>50%時(shí)，MSK4226模塊的OUTA端口的電壓大于OUTB端口，電機正向轉動(dòng)。AHI與BLI端口信號占空比為零，ALI和BHI端口信號占空比為100%時(shí)達到正向轉動(dòng)最大速度。如圖為AHI與BLI端信號占空比30%，AHI與BLI端信號占空比70%的控制波形圖3。

3.2 第II、IV象限工作-電機制動(dòng)控制

當AHI與BLI、ALI和BHI端口輸入信號的占空比都為50%時(shí)，OUTA和OUTB端口輸出電壓占空比為50%，電機處于制動(dòng)狀態(tài)，電機停轉。制動(dòng)狀態(tài)不等于停機，此時(shí)電樞兩端的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流都不為零，而是交變的?？刂齐姍C停機可使能驅動(dòng)模塊的DIS引腳。

3.3 第III象限工作-正轉電動(dòng)運行控制

AHI與BLI端口輸入信號的占空比>50%，而ALI和BHI端口信號的占空比50%時(shí)，MSK4226模塊的OUTB端口的電壓大于OUTA端口，電機負向轉動(dòng)。AHI與BLI端口信號占空比為100%，ALI和BHI端口信號占空比為零時(shí)達到負向轉動(dòng)最大速度。

4 結束語(yǔ)

文章中利用MSK4226模塊達到直流電機四象限運動(dòng)控制。在電機的四象限控制中電機制動(dòng)時(shí)，電機處于高頻振動(dòng)，起著(zhù)“動(dòng)力潤滑”的作用，消除正反向啟動(dòng)時(shí)的靜摩擦死區，所以電機啟動(dòng)、運行過(guò)程中電流比較連續、啟動(dòng)時(shí)間短、響應速度快。