葉繼英，沈曉群，李莉莉

（浙江海洋學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316004）

近年來(lái)，PWM（Pulse Width Modulation）技術(shù)在整流電路中開(kāi)始應(yīng)用，并顯示出了突出的優(yōu)越性。脈沖寬度調(diào)制PWM是產(chǎn)生精確脈沖序列輸出和實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的有效辦法，微控制器的脈寬調(diào)制模塊被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和新型消費(fèi)機(jī)電產(chǎn)品中（如智能空調(diào)、節(jié)能冰箱等）。PWM信號(hào)通過(guò)軟件編程調(diào)節(jié)波形的占空比、周期和相位，能夠用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速、伺服電動(dòng)機(jī)控制、D/A轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用[1]。本文以直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)為例，詳細(xì)分析PWM技術(shù)在其中的應(yīng)用。

1 調(diào)速系統(tǒng)的方案論證

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有電樞串聯(lián)電阻、弱磁調(diào)速以及改變電樞電壓三種。電樞串聯(lián)電阻后，在電阻上流過(guò)電樞電流產(chǎn)生壓降，電樞端電壓隨之減低，但是這種調(diào)速方法不經(jīng)濟(jì)，當(dāng)η=0.5時(shí)，由電網(wǎng)吸取的功率有一半消耗在電樞總電阻上。弱磁調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是控制功率較小，能量損耗小，但在高速時(shí)受到換向火花的限制，而低速時(shí)磁通較大，電動(dòng)機(jī)的體積及耗費(fèi)的材料需增多，不經(jīng)濟(jì)。改變電樞電壓，比如采用晶閘管直流裝置，可得一組平行的特性，速度與電壓成正比，并具有相同的斜率β[2]。

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，微控制器可以方便的產(chǎn)生PWM信號(hào)，能夠代替電力電子器件組成的復(fù)雜電路。本文采用MC9S12XS128單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制波。

MC9S12XS128單片機(jī)是16位機(jī)，內(nèi)部具有獨(dú)立的脈沖寬度調(diào)制模塊PWM，也就是比起MC51系列的單片機(jī)來(lái)說(shuō)不會(huì)占用定時(shí)器模塊，使用時(shí)極少占用CPU資源。MC9S12XS128的PWM模塊具有8路8位獨(dú)立PWM通道，精度是1/256。當(dāng)處于級(jí)聯(lián)模式時(shí)，8個(gè)8位PWM通道通過(guò)兩兩級(jí)聯(lián)構(gòu)成4個(gè)16位的PWM通道，精度是1/65 536，以一個(gè)5 V的電源為例，每刻度能夠精確到76.3 μV，可以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

主芯片采用MC9S12XS128，兩路PWM通道信號(hào)控制直流電動(dòng)機(jī)的前進(jìn)、后退以及停止，編程可實(shí)現(xiàn)。要驅(qū)動(dòng)、控制一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)需要設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，既可以使用分立的功率元件搭建驅(qū)動(dòng)電路，也可以使用集成的直流電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)芯片。

圖1為分立功率元件搭建的驅(qū)動(dòng)電路，工作時(shí)V1和V2通斷狀態(tài)互補(bǔ)，V3和V4的通斷狀態(tài)也互補(bǔ)，Ub1～Ub4是PWM控制信號(hào)[3]。本文采用集成驅(qū)動(dòng)芯片MC33887，以此來(lái)簡(jiǎn)化電路。

MC33887是一塊集成的直流電動(dòng)機(jī)H橋功率驅(qū)動(dòng)芯片，它的內(nèi)部具有負(fù)載電流反饋，利用MC9S12XS128的ADC模塊對(duì)其進(jìn)行采樣，實(shí)時(shí)監(jiān)控H橋的高邊工作電流值，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。為了防止電機(jī)輸出電流對(duì)電源的沖擊，在電源輸入端口（7.2 V）并聯(lián)一個(gè)電容。當(dāng)PWM7輸出時(shí)，通過(guò)MC33887驅(qū)動(dòng)后OUT1輸出控制信號(hào)，直流電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)PWM5輸出時(shí)，通過(guò)MC33887驅(qū)動(dòng)后OUT2輸出控制信號(hào)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)PWM5、PWM7無(wú)輸出時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流有余量，可以并聯(lián)一塊MC33887芯片。

圖1 分立元件單相橋式PWMFig．1 Single phase bridge PWM of discrete element

圖2 MC33887驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)原理圖Fig．2 MC33887 for DC motor control schematic

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)程序由主程序和幾個(gè)子程序組成，按照系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)劃分每個(gè)模塊，如總線時(shí)鐘初始化、PWM初始化、直流電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等。本文給出總流程圖和PWM模塊流程圖，總線時(shí)鐘模塊流程圖及編程略[4]。

圖3 程序流程圖Fig．3 Program flow chart

下面以MC9S12XS128芯片晶振16 MHz為例，實(shí)現(xiàn)輸出占空比為25%，頻率為5 000 Hz的PWM波，驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。利用MC9S12XS128芯片的內(nèi)部鎖相環(huán)（IPLL）功能，使總線時(shí)鐘頻率達(dá)到32 MHz，編程可實(shí)現(xiàn)。PWM初始化模塊中PWMPRCLK預(yù)分頻為4，則時(shí)鐘Clock B頻率為8 MHz；分頻因子PWMSCLB為4，根據(jù)公式（2）可得時(shí)鐘Clock SB為1 MHz，即通道時(shí)鐘周期為1 μs。

PWM極性為1，左對(duì)齊輸出波形如下圖所示。當(dāng)PWMCNT計(jì)數(shù)器加法計(jì)數(shù)到通道占空比PWMDTY中設(shè)置的數(shù)值時(shí)，PWM通道輸出波形從高電平變成低電平；當(dāng)PWMCNT計(jì)數(shù)器加法計(jì)數(shù)到通道周期寄存器PWMPER中設(shè)置的數(shù)值時(shí)，PWMCNT清零，輸出波形電平翻轉(zhuǎn)，如此反復(fù)，輸出PWM波。

根據(jù)公式（3），當(dāng)時(shí)鐘周期PWMPERx為200時(shí)，可得PWMx周期為200 μs，即輸出的PWM波形頻率為5 000 Hz。要使得到的占空比為25%，根據(jù)公式（4），則PWMDTYx應(yīng)為50。由此可知，只需改變PWMDTYx的值，就可以得到不同的占空比，從而改變電壓值，控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。左對(duì)齊方式輸出（CAEx=1）：

當(dāng)PPOLx=1時(shí)，PWM占空比公式如下：

圖4 左對(duì)齊PWM波形Fig.4 Left aligned output PWM

PWM控制電機(jī)速度的程序如下。要得到所需的占空比，只要改變函數(shù)Motor_forward(i)中的變量i即可。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)利用MC9S12XS128單片機(jī)生成PWM信號(hào)，通過(guò)集成驅(qū)動(dòng)芯片MC33887驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的基于硬件組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)，成本相對(duì)得到降低；同時(shí)系統(tǒng)的控制精度得到提高。該系統(tǒng)具有可靠性高，調(diào)試、運(yùn)行比較方便的特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]張 陽(yáng),吳 曄,滕 勤,等.MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011.

[2]顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[3]王兆安,黃 俊.電力電子技術(shù)[M].第4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[4]王宜槐,曹金華.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)——基于飛思卡爾S12X微控制器[M].北京：航空航天大學(xué)出版社,2011.