劉媛媛，馮宏偉

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0 引言

直流電機具有調(diào)速平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力強、可快頻無級啟制動和反轉(zhuǎn)等特點，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用［1－5］。為適應(yīng)直流電機的使用需求，許多半導(dǎo)體廠商推出了直流電機控制專用集成電路。這種集成電路具有集成度高、外圍電路簡單、使用方便的優(yōu)點；但也存在輸出功率有限、大多不能滿足大功率場合需求的缺點。本文在分析了大功率直流電機驅(qū)動電路設(shè)計中可能出現(xiàn)的問題的基礎(chǔ)上，基于微處理器P87LPC768，結(jié)合場效應(yīng)管驅(qū)動芯片IR2110、功率場效應(yīng)管和光電隔離器設(shè)計了大功率直流電機驅(qū)動電路。

1 驅(qū)動控制硬件電路的整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的電動驅(qū)動控制系統(tǒng)以微處理器P87LPC768為核心，單片機根據(jù)上位機通過串口傳入工作參數(shù)，采用設(shè)計的控制算法計算出占空比，經(jīng)PWM控制電路向MOSFET驅(qū)動電路發(fā)出控制信號，再由MOSFET驅(qū)動電路控制H橋電機驅(qū)動電路；經(jīng)過H橋驅(qū)動電路對電機進行調(diào)速，為直流電機提供相應(yīng)轉(zhuǎn)矩。電動機工作時，通過采樣電阻把檢測到的電動機實際工作電流反饋到單片機，單片機再根據(jù)相應(yīng)的控制算法一方面對驅(qū)動電機進行電流的PID閉環(huán)控制；另一方面用來監(jiān)測電機電流，當(dāng)采集的電機電流高于設(shè)定的保護值時，示警燈進行報警提示，同時控制繼電器斷開電機回路，實現(xiàn)對電機的過流保護。直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

硬件電路是控制系統(tǒng)的平臺，其各種功能的實現(xiàn)都要利用這個平臺來執(zhí)行。本文的硬件電路主要由處理器電路、串口電平轉(zhuǎn)化電路、驅(qū)動控制電路、電流采樣處理電路、繼電器保護控制電路和報警指示電路等多部分構(gòu)成。整個系統(tǒng)由24 V的蓄電池供電，經(jīng)內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換后供各部分電路使用。

2.1 微處理器選擇

本系統(tǒng)選用Philips半導(dǎo)體公司推出的單片機P87LPC768，它兼容了MCS－51系列單片機的功能，增加8位A／D轉(zhuǎn)換、I2C總線、四通道PWM及看門狗定時器等功能，具有良好的電磁兼容特性和低功耗特性。本控制系統(tǒng)主要用P87LPC768的一路PWM輸出，經(jīng)過反相器74 HC04處理后分出兩路互補的PWM脈沖序列，實現(xiàn)雙極性H橋驅(qū)動電路控制的同時，可完全避免H橋MOS管同臂導(dǎo)通的問題。

2.2 串口電平轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計采用了專用芯片MAX3232進行轉(zhuǎn)換以滿足微處理器與上位機PC的通信。串口電平轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

2.3 功率驅(qū)動電路設(shè)計

電動機驅(qū)動控制電路主要由MOSFET驅(qū)動電路和H橋驅(qū)動電路組成。驅(qū)動控制電路根據(jù)主控芯片P87LPC768調(diào)整輸出的PWM占空比改變電機電樞電流的大小和轉(zhuǎn)動方向，從而達(dá)到設(shè)定的驅(qū)動需求。

本系統(tǒng)設(shè)計的H型雙極性驅(qū)動控制電路中選用4個相同的N溝道MOSFET作為功率開關(guān)器件。選取MOSFET時，反向耐壓取值為兩倍以上的余量，工作電流留有2～4倍的余量，工作頻率與實際頻率相當(dāng)。根據(jù)以上要求，選定MOS管型號為IRF3205，其最小漏極電壓為VDS＝55 V，最大漏極電流為ID＝110 A。本文采用MOSFET專用柵極集成電路芯片IR2110設(shè)計了包含前置驅(qū)動電路及功率驅(qū)動電路的電動機控制電路，如圖3所示。

圖2 串口電平轉(zhuǎn)換電路

MOSFET前置驅(qū)動電路中IR2110芯片的兩路輸入信號HIN及LIN分別為驅(qū)動H橋中同橋臂上下兩個MOSFET的驅(qū)動脈沖信號輸入端，即接P87LPC768的兩路PWM輸出。由于兩者有電氣聯(lián)系，所以輸入級邏輯電源采用5 V電源，而輸出級用于驅(qū)動MOSFET的驅(qū)動電壓采用12 V電源。IR2110芯片輸入級和輸出級可以采用不同的電源，可以滿足本系統(tǒng)的設(shè)計需要。

圖3 MOSFET管驅(qū)動電路和H橋驅(qū)動電路

IR2110的輸出級采用浮置電源，通過自舉電路由固定的電源得來。圖3中，C6，C7為自舉電容。

由于IR2110內(nèi)部的驅(qū)動阻抗很低，直接用它來驅(qū)動功率MOSFET器件會引起快速開關(guān)，有可能造成MOSFET漏源間電壓的震蕩，從而損壞MOSFET器件。故在IR2110的輸出端和MOSFET的柵極之間分別串聯(lián)了R6，R9，R12和R13四個無感電阻。

MOSFET柵源級間的阻抗很高，故漏源級間電壓的突變會通過極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當(dāng)高的過沖電壓Vgs，會引起柵源級間氧化層的永久性破壞，對于正方向的過沖電壓，還會引起誤導(dǎo)通。因此在柵源級間并接20 V的齊納二極管加以保護，漏源級間的過壓保護采用RC過電壓抑制電路。

2.4 電流采樣電路設(shè)計

本設(shè)計選用8 mΩ的錳銅采樣電阻進行電流／電壓轉(zhuǎn)換，將控制電機0 A～25 A的電流信號對應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)? V～5 V的電壓信號，作為電流反饋信號用于控制。

2.5 繼電器保護控制電路和報警指示電路

繼電器保護控制電路在本設(shè)計中主要用于在PWM控制系統(tǒng)發(fā)生異常時實現(xiàn)對電機控制回路通斷的控制。

報警指示電路在本設(shè)計中的主要作用是在PWM控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，由微處理器的GPIO口輸出信號，通過光電耦合器TLP521驅(qū)動LED發(fā)光，發(fā)出報警指示以提醒用戶。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 控制主程序設(shè)計

電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示。

3.2 電流環(huán)PID控制軟件設(shè)計

本程序采用增量式數(shù)字PID程序以PWM方式對直流電機進行調(diào)速。設(shè)Kp為比例常數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)，T為采樣周期。式（1）給出了增量式數(shù)字PID調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

其中：D（z）為z變換后的傳遞函數(shù)；U（z）為PID后的輸出z函數(shù)；E（z）為實際值與采樣值的差值z函數(shù)。

軟件實現(xiàn)PID算法的流程圖如圖5所示。

圖4 電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)的主程序流程圖

4 實驗結(jié)果分析

為了對驅(qū)動器性能進行測試，選用尤奈特24 V／300 W的直流電機進行閉環(huán)控制，額定轉(zhuǎn)速為2 650 r／min，額定電壓為24 V，額定電流為16 A。電機驅(qū)動控制電路上電，可使電機工作的最高轉(zhuǎn)速達(dá)2 730 r／min，電機啟動的最低轉(zhuǎn)速為35 r／min，堵轉(zhuǎn)時無明顯發(fā)熱現(xiàn)象。為了測試電路工作的穩(wěn)定性，連續(xù)5 d電機工作8 h以上，電機工作未發(fā)現(xiàn)異常，電路的發(fā)熱在設(shè)計允許范圍內(nèi)；為了測試電路的抗干擾和抗沖擊能力，驅(qū)動控制電路在開與關(guān)之間連續(xù)進行1 000次左右的切換，電路沒有出現(xiàn)任何故障；另外驅(qū)動控制電路在突然增加負(fù)載的情況下也能工作正常。從測試情況看，基本滿足大功率直流電機的驅(qū)動要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種大功率直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)。在突然增加負(fù)載的情況下進行測試也能正常工作，完全滿足大功率電機驅(qū)動的需要，而且設(shè)計過程中，為防止啟／制動電流的驟然升高，電路有較大的電流冗余，電路中最高電流可以達(dá)到25 A，有效地保證了電路工作的穩(wěn)定性并具有結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動功率大、抗干擾能力強、功耗小、成本低、實用性廣等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖5 PID算法的流程圖

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