基于PIC16F690的直流無刷電機驅動器設計
2022-06-20
??????? 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24V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PIC16F690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。
??????? 系統(tǒng)在設計和調試中采取了必要的抗干擾措施， 具體有如下幾點：
(1)合理布置電源濾波、退耦電容;
(2)分區(qū)布局， 將數(shù)字電路與模擬電路分開;
(3)合理設計地線;
(4)電流通路的面積最小;
( 5)盡量加粗接地線和電源線;
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(jīng)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(jīng)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。
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圖1 控制系統(tǒng)原理框圖
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PIC16F690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。
設計中， 要求電壓和電流信號都能作為控制信號， 達到控制電機的轉向及轉速目的， 為此先設計了一個電流/電壓轉換電路， 如圖2所示。若輸入4~20mA 控制電流， 則可以在采樣電阻R44上形成0 4~2 V 的電壓值， 輸入到單片機中進行處理。在采樣電阻的兩端并聯(lián)一個瞬態(tài)二極管， 起到保護的作用， 電容的存在可以起到濾波作用， 令輸入到單片機的電壓信號更加穩(wěn)定。
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圖2 電流/電壓轉換電路
由于電機在正常工作時對電源的干擾很大， 如果只用一組電源會影響單片機的正常工作， 所以選用雙電源供電。電源系統(tǒng)采用DC /DC 轉換芯片IB1215LS- 1W 和IB1209LS - 1W, 電路設計， 如圖3 所示。
為防止瞬時輸入電壓過大， 在電源入口放置穩(wěn)壓芯片7818, 再經(jīng)過瞬態(tài)二極管的降壓， 最后進入DC /DC芯片， 得到兩路電壓15 V 和9 V, 電感L 1 和L2 的作用是組成 LC濾波網(wǎng)絡， 可以進一步減少輸入輸出紋波， 利用這兩路電壓經(jīng)過三端穩(wěn)壓芯片78L05就可以得到需要的5 V和+ 5 V 兩路電源系統(tǒng)， 分別給單片機控制電路和驅動電路供電。
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圖3 系統(tǒng)的電源電路設計
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