趙航濤 潘永貞 賀永慶

摘要：介紹了一種基于場(chǎng)效應(yīng)管和KL25Z128VFM單片機(jī)組成的直流電機(jī)控制電路和相應(yīng)控制程序設(shè)計(jì)。該電路采用IRF4905和IRF3205場(chǎng)效應(yīng)管、CD4504電壓轉(zhuǎn)換芯片、32位M0+單片機(jī)等，通過(guò)PID算法實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的閉環(huán)控制，具有穩(wěn)定可靠、自我保護(hù)、控制精度高、工作電流大等特點(diǎn)，在全國(guó)第九屆Freescale智能車(chē)比賽中得到應(yīng)用，效果良好。

關(guān)鍵詞：PWM；飛思卡爾KL25；PID算法；直流電機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）23-5556-03

直流電機(jī)在家電、電動(dòng)車(chē)、汽車(chē)電子、自動(dòng)化生產(chǎn)線等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，因此直流電機(jī)控制是自動(dòng)化控制領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。由于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速比較快， 在許多應(yīng)用中要對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，傳統(tǒng)的控制方法是使用相應(yīng)的電路調(diào)整電機(jī)的工作電壓，以達(dá)到控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，上述方法由于沒(méi)有形成電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，存在轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、控制精度差、沒(méi)有自我保護(hù)和能耗高等問(wèn)題。該文研究了基于場(chǎng)效應(yīng)管和飛思卡爾KL25高性能M0+單片機(jī)組成的直流電機(jī)自動(dòng)控制電路和基于PID控制算法的控制程序。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由單片機(jī)、電源、人機(jī)交互和電機(jī)控制等模塊構(gòu)成，如圖1所示。電源模塊為單片機(jī)提供穩(wěn)定可靠的3.3V直流電源；KL25單片機(jī)模塊為系統(tǒng)提供快速可靠的信息處理能力，還具有與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊、速度采集和監(jiān)控工作溫度的功能。電機(jī)控制模塊，為系統(tǒng)提供電流高達(dá)70A的電機(jī)控制能力。人機(jī)交互模塊為系統(tǒng)提供速度、轉(zhuǎn)向的設(shè)置和當(dāng)前轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的顯示功能。在控制軟件方面，在KL25上實(shí)現(xiàn)了PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的精確控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

為了提高電機(jī)的控制精度，系統(tǒng)選用了Freescale公司的KL25Z128VFM單片機(jī)。該單片機(jī)屬于32位ARM-M0+高性能微控制器芯片，工作頻率達(dá)到48MHZ，總線速度達(dá)到24MHZ，具有處理速度快、低功耗、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。該芯片內(nèi)部集成了128KFlash存儲(chǔ)單元，3個(gè)通道共12路32位脈沖輸入捕捉模塊，3個(gè)通道共12路32位的PWM輸出模塊，3個(gè)串口模塊和1個(gè)SB模塊，完全能滿足直流電機(jī)控制的需要。

2.2 H橋電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的直流電機(jī)控制采用了較為成熟的H橋驅(qū)動(dòng)電路，由4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和電壓轉(zhuǎn)換芯片CD4504組成，具有工作頻率高、電流驅(qū)動(dòng)能力大、安全、低成本和電能轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。Q1，Q2選用P溝道IRF4905場(chǎng)效應(yīng)管，Q3，Q4先用N溝道IRF3205場(chǎng)效應(yīng)管，構(gòu)成H橋驅(qū)動(dòng)電路。CD4504的Ain和Cin引腳分別與單片機(jī)PTB0和PTB1引腳相連， CD4504的Aout與場(chǎng)效型管Q1、Q3的柵極相連，Cout引腳與場(chǎng)效型管Q2、Q4的柵極相連接，構(gòu)成H橋驅(qū)動(dòng)控制電路。當(dāng)Ain輸入3.3V的高電平，Cin輸入0V低電平時(shí)，Aout輸出7.2V高電平，Cout輸出0V低電平，此時(shí)Q1和Q4導(dǎo)通，Q2和Q3關(guān)閉，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)Ain輸入0V的低電平，Cin輸入3.3V高電平時(shí)，Aout輸出0V低電平，Cout輸出7.2V高電平，此時(shí)Q2和Q3導(dǎo)通，Q1和Q4關(guān)閉，電機(jī)反轉(zhuǎn)。該電路具有一定的保護(hù)功能，第一CD4504具有3.3V和7.2電源物理隔離的功能，第二具有電機(jī)邏輯保護(hù)功能，不會(huì)構(gòu)成電路短路的現(xiàn)象，當(dāng)Ain和Cin都輸入3.3V高電平，此時(shí)Q1和Q2導(dǎo)通，Q3和Q4關(guān)閉，電機(jī)不轉(zhuǎn)；當(dāng)Ain和Cin都輸入0V低電平時(shí)，此時(shí)Q1和Q2關(guān)閉，Q3和Q4導(dǎo)通，電機(jī)不轉(zhuǎn)。

2.3 輔助電路

系統(tǒng)輔助電路主要包括通訊、電源、人機(jī)交互三部分。人機(jī)交互模塊主要包括撥碼盤(pán)、OLED液晶顯示等，戶通過(guò)撥碼盤(pán)可以設(shè)置電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度，通過(guò)OLED液晶屏顯示電機(jī)的旋轉(zhuǎn)、方向和設(shè)定值。系統(tǒng)電源模塊采用低壓差LM1117-3.3芯片，為單片機(jī)、CD4504和人機(jī)交互等模塊提供穩(wěn)定、可靠的500MA電流的3.3V的直流電壓。

3 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

3.1 PID算法

在本系統(tǒng)通過(guò)編碼器采集電機(jī)的旋轉(zhuǎn)脈沖，然后由單片機(jī)輸入捕捉模塊完成旋轉(zhuǎn)速度的采集，構(gòu)成電機(jī)的閉環(huán)控制。本系統(tǒng)在電機(jī)速度控制編程中使用了PID控制算法，該算法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等特點(diǎn)，是閉環(huán)控制領(lǐng)域使用最多的算法，如圖2所示，具體程序如下。

3.2 系統(tǒng)輸入捕捉初始化函數(shù)

本系統(tǒng)使用KL25Z128VFM芯片的PTE30引腳的輸入捕捉功能。本該函數(shù)主要進(jìn)行系統(tǒng)脈沖輸入捕捉的初始化，定義引腳功能，設(shè)置輸入捕捉頻率為25KHZ，采用下降沿識(shí)別，開(kāi)啟輸入捕捉中斷等，具體程序如下。

3.3 系統(tǒng)PWM初始化函數(shù)

本系統(tǒng)使用KL25Z128VFM芯片的PTB0和PTB1兩個(gè)引腳的PWM功能。該函數(shù)主要進(jìn)行系統(tǒng)PWM的初始化，定義引腳功能，設(shè)置PWM波頻率為5KHZ，PWM波的對(duì)齊方式為左對(duì)齊，具體程序如下。

基于場(chǎng)效應(yīng)管和KL25Z128VFM高性能32位單片機(jī)組成的直流電機(jī)自動(dòng)控制電路和在KL25上實(shí)現(xiàn)的PID控制算法，具有控制功率大、控制精度高、成本低和使用安全的特點(diǎn)，在第九屆全國(guó)智能車(chē)比賽電磁組中得到了應(yīng)用，效果遠(yuǎn)超BTS7970等電機(jī)控制集成芯片。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔡述庭.“飛思卡爾”杯智能汽車(chē)競(jìng)賽設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[2] 陶永華等編著.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1998.

[3] 歷風(fēng)滿.數(shù)字PID控制算法的研究[J].遼寧大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（4）：85-88.

[4] 王蕾，宋文忠.PID控制[J].自動(dòng)化儀表，2004（4）：3-8.

[5] 梁軍，符雪桐，呂勇哉.自適應(yīng)PID控制——I.基本原理與算法[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 1994（5）：523-529.