24V 250w直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

1、傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速方法很多，如調(diào)壓調(diào)速、弱磁調(diào)速等，它們存在著調(diào)速響應(yīng)慢、精 度差、調(diào)速裝置復(fù)雜等缺點(diǎn)。隨著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(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)已成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。為配套24V直流電機(jī)，設(shè)計(jì)了一種直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。采用美國(guó)Microchip公司 的PIC16F690單片機(jī)作為控制器，MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件，配以相應(yīng)的控制軟件構(gòu)成控制系統(tǒng)。 實(shí)踐表明，整個(gè)系統(tǒng)的精度、快速性以及可靠性等指標(biāo)都能滿足實(shí)際需求。1 PWM直流調(diào)速原理在PWM調(diào)速系統(tǒng)中，一般可以采用定寬調(diào)頻、調(diào)寬調(diào)頻、定頻調(diào)寬3種方法改變 控制脈沖的占空比，但是前兩

2、種方法在調(diào)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(dāng)該頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)將會(huì)引起振蕩。為避免之，設(shè)計(jì)采用定頻調(diào) 寬改變占空比的方法來(lái)調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓。定頻調(diào)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(jù)需要改變一個(gè) 周期內(nèi)接通和斷開(kāi)的時(shí)間比（占空比）來(lái)改變直流電機(jī)電樞上電壓的占空比，從而改變平均電 壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在PWM調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度 減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。而且采用PWM技術(shù) 構(gòu)成的無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，啟停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)無(wú)沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。 為了說(shuō)明問(wèn)題

3、，現(xiàn)假定電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為Vmax,占空比為D = t/T,則 電機(jī)的平均速度Vd = D*Vmax,由公式可知，當(dāng)改變占空比D = t /T時(shí)，就可以得到不同 的電機(jī)平均速度Vd,從而達(dá)到調(diào)速的目的。在一般應(yīng)用中，可將平均速度與占空比D近似地看成線性關(guān)系。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1總體設(shè)計(jì)原理系統(tǒng)要求電機(jī)能夠按照設(shè)定值運(yùn)轉(zhuǎn)，并能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，根據(jù)直流電機(jī)的PWM控 制要求，控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括單片機(jī)控制電路、光電隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路等幾個(gè)部 分，系統(tǒng)的硬件原理框圖，如圖1所示?？刂菩盘?hào)送入PIC單片機(jī)模擬口，經(jīng)過(guò)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(jī)控

4、制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路之間用光電 耦合器（TLP521）實(shí)現(xiàn)電氣隔離，隔離后的控制信號(hào)經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路產(chǎn)生電機(jī)邏輯控 制信號(hào)，分別控制H橋的上下臂，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和調(diào)速的目的，同時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 能通過(guò)編碼器反饋給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。控制信號(hào)k單片機(jī)控制電路PWMy電離路光隔電基于MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路rr rr.閥位反饋24 V 直流 無(wú)刷 電機(jī)圖1控制系統(tǒng)原理框圖2.2控制電路 在單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)中，選用美國(guó)Microchip公司的PIC16F690單 片機(jī)，與其他系列單片機(jī)相比，它的最大優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在引腳少、功能強(qiáng)、可直接帶LED負(fù)載; 具有低耗能工作方式，較簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù);

5、外圍配置簡(jiǎn)單、明晰、提高了整機(jī)的可靠性; 并且具有較強(qiáng)的抗干擾性，大大提高了抵御外界的電磁干擾和本機(jī)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(yīng)能力。設(shè)計(jì)中，要求電壓和電流信號(hào)都能作為控制信號(hào)，達(dá)到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速目 的，為此先設(shè)計(jì)了一個(gè)電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。若輸入420mA控制電流，則可 以在采樣電阻R44上形成0 42 V的電壓值，輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理。在采樣電阻的兩 端并聯(lián)一個(gè)瞬態(tài)二極管，起到保護(hù)的作用，電容的存在可以起到濾波作用，令輸入到單 片機(jī)的電壓信號(hào)更加穩(wěn)定。圖2電流/電壓轉(zhuǎn)換電路由于電機(jī)在正常工作時(shí)對(duì)電源的干擾很大，如果只用一組電源會(huì)影響單片機(jī)

6、的正 常工作，所以選用雙電源供電。電源系統(tǒng)采用DC /DC轉(zhuǎn)換芯片IB1215LS- 1W和IB1209LS -1W,電路設(shè)計(jì)，如圖3所示。為防止瞬時(shí)輸入電壓過(guò)大，在電源入口放置穩(wěn)壓芯片7818,再經(jīng)過(guò)瞬態(tài)二極管的 降壓，最后進(jìn)入DC /DC芯片，得到兩路電壓15V和9V,電感L1和L2的作用是組成LC 濾波網(wǎng)絡(luò)，可以進(jìn)一步減少輸入輸出紋波，利用這兩路電壓經(jīng)過(guò)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(jī)控制電路和驅(qū)動(dòng)電路供電。QZ0 匕圖3系統(tǒng)的電源電路設(shè)計(jì)2.3驅(qū)動(dòng)電路由于功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿現(xiàn)象 等特點(diǎn)，

7、滿足高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作需求，因此采用IR公司的場(chǎng)效應(yīng)管IRF9540和IRF540構(gòu)成H橋 電路的橋臂。H橋電路中的4個(gè)功率MOSFET分別采用n溝道型和p溝道型，設(shè)計(jì)的電路原 理，如圖4所示。數(shù)字電平上下跳變時(shí)，集成電路耗電發(fā)生突變，引起電源產(chǎn)生毛刺。數(shù)字電路越 復(fù)雜，數(shù)據(jù)速率越高，累計(jì)的電流跳變?cè)綇?qiáng)烈，高頻分量越豐富，而普通印刷電路板不 能完全吸收邏輯電平跳變產(chǎn)生的電壓毛刺，這種噪聲會(huì)嚴(yán)重干擾電路。為了實(shí)現(xiàn)模擬電路 和數(shù)字電路的隔離，提高信噪比，有效的抑制噪聲對(duì)模擬電路的干擾，在PWM信號(hào)從控 制系統(tǒng)引出之后，需要經(jīng)過(guò)光電隔離，才能送入驅(qū)動(dòng)電路。在不影響驅(qū)動(dòng)器整體性能的前 提下，使用TLP521

8、- 1光電耦合器，主要考慮的是價(jià)格因素。運(yùn)放2902在電路中用作比較器，把輸入邏輯信號(hào)同基準(zhǔn)電壓比較，轉(zhuǎn)換成接近功 率電源電壓幅度的方波信號(hào)。運(yùn)放的輸入電壓范圍不能接近負(fù)電源電壓，否則會(huì)出錯(cuò)。因 此在運(yùn)放輸入端增加了防止電壓范圍溢出的二極管D13。輸入端的電阻R50用于限流，R66 用于在輸入懸空時(shí)把輸入端降為低電平。當(dāng)運(yùn)放2902輸出端為低電平時(shí)，三極管Q25截止，場(chǎng)效應(yīng)管Q23導(dǎo)通。三極管Q16導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管Q19截止，輸出為高電平。當(dāng)運(yùn)放輸出端為高電平時(shí)，三極管Q25導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管Q23截止。三極管Q16截止，場(chǎng)效應(yīng)管Q19導(dǎo)通，輸出為低電平。W， TLP521-1IllgTLP521-

9、1HGNDtplOkf)58 kQ加n 1 .r nnLM2902JDi3 HGNDIW-o10kft91026 IlM血IMi22。2kfl2.2 n2!9101D HDJP2 Motor2knQnC ioYm1RF9540470 腳VGND GND lOkfl72.2(11倒iihiokon川2902Vioko m U io mD”li0.1 gFG.W圖4基于MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，在M plab集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行編譯、 仿真，用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件的功能，不但可以降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性，還能簡(jiǎn)化硬 件結(jié)構(gòu)，但其缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間比用硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)，而且還要占用CPU時(shí)間。設(shè)計(jì)過(guò)程中，在 滿足可行性和實(shí)時(shí)性的前提下盡可能地將硬件功能用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)主程序流程圖，如 圖5所示。圖5控制系統(tǒng)主程序流程圖4結(jié)語(yǔ)干擾現(xiàn)象是電路調(diào)試和設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮和重點(diǎn)解決的問(wèn)題，不同電路其干擾源千 差萬(wàn)別，干擾傳播途徑也多種多樣，干擾現(xiàn)象也各不相同，但它們?nèi)杂泄残?。系統(tǒng)在設(shè) 計(jì)和調(diào)試中就考慮了這些共性因素，并結(jié)合具體工作環(huán)境和各部分功能電路，采取了必要 的抗干