朱 睿，郭盛杰

(山西國(guó)營(yíng)大眾機(jī)械廠，山西 太原 030024)

在現(xiàn)代工業(yè)中，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油化學(xué)、國(guó)防工業(yè)等工業(yè)部門中。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使用脈寬調(diào)制(pulse width modulation，簡(jiǎn)稱PWM)控制方式已成為絕對(duì)主流。脈寬調(diào)制是一種使用程序來(lái)控制波形占空比、周期、相位波形的技術(shù)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、D/A 轉(zhuǎn)換等場(chǎng)合有廣泛的應(yīng)用。這種控制方式已作為直流電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制的基礎(chǔ)。在直流調(diào)速控制中，可以采用各種控制器，單片機(jī)是其中一種選擇。

1 功能描述

電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微處理器作為控制核心，以控制板卡、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片及外圍電路、電機(jī)等構(gòu)成整個(gè)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。由微處理器產(chǎn)生1 對(duì)(共2 路)PWM 信號(hào)，該P(yáng)WM 信號(hào)經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制執(zhí)行電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的調(diào)速要求。

2 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成

電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成見(jiàn)表1。

表1 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成

3 技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)如下:

1)工作溫度:－40 ℃～+60 ℃;

2)供電電壓:DC 27 V;

3)輸出扭矩:1.2 N·M;

4)最大空載轉(zhuǎn)速:1 050 rpm;

5)額定電流:2.3 A。

4 設(shè)計(jì)原理

4.1 原理框圖

原理框圖見(jiàn)圖1。

圖1 原理框圖

4.2 原理介紹

如圖1 所示，通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)屏幕顯示界面的操作，選取電機(jī)不同的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，由計(jì)算機(jī)控制板卡采集相應(yīng)的狀態(tài)信息，輸出相應(yīng)的狀態(tài)量代碼(狀態(tài)量指示見(jiàn)真值表2)并送入到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接收的代碼信息，產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM 脈寬信號(hào)，該脈寬信號(hào)經(jīng)功率放大電路放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制。

表2 真值表

其中高位D2 表示方向性，0 為正方向，1 為反方向;D1，D0 表示速度大小。

5 設(shè)計(jì)分析

5.1 控制/驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

控制/驅(qū)動(dòng)電路主要由單片機(jī)STC12C5206AD、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8842 等組成?？刂?驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖2。

圖2 控制/驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原理

5.2 電源電路

本調(diào)速系統(tǒng)工作電源為直流+24 V、直流+5 V。其中+5 V 由直流+24 V 轉(zhuǎn)換輸出，供單片機(jī)STC12C5202AD 使用。+5 V 轉(zhuǎn)換電路主要由穩(wěn)壓器LD1086、電容器等組成，詳見(jiàn)圖3。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，要盡量加寬電源線，同時(shí)將電源線和信號(hào)線分離，以免產(chǎn)生干擾信號(hào)。

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路

5.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要由驅(qū)動(dòng)芯片DRV8842 及其外圍電路組成。

驅(qū)動(dòng)芯片DRV8842 是專用于電機(jī)的集成電路，內(nèi)部包含一個(gè)PWM 電流控制的H 橋控制電路，電路見(jiàn)圖4。工作電壓為8.2 V～45 V，工作電流為5 A，工作溫度為－40 ℃～85 ℃。

圖4 DRV8842 控制電路

表3 H 橋邏輯

如圖4，通過(guò)控制DRV8842 的IN1 和IN2 引腳輸入狀態(tài)，能直接控制OUT1 和OUT2 的輸出狀態(tài)，邏輯控制見(jiàn)表3。

采用PWM 脈寬調(diào)制控制電機(jī)速度，其控制邏輯如下:當(dāng)IN1 輸入PWM 信號(hào)，IN2 輸入低電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)IN1 輸入低電平，IN2 輸入PWM 信號(hào)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn);PWM 信號(hào)的占空比決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

5.4 微處理器

微處理器采用深圳宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5206AD。STC12C5206AD 是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代單片機(jī)，指令代碼兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8 倍～12 倍。內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路，2 路PWM，8 路高速8 位A/D 轉(zhuǎn)換(300 k/s 即30 萬(wàn)次/秒)，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。

主要性能如下:

1)工作電壓:5.5 V～3.3 V;

2)工作頻率:0～35 MHz，相當(dāng)于普通8051 的0～420 MHz;

3)用戶應(yīng)用程序空間:6 k 字節(jié);

4)片上集成RAM:256 字節(jié);

5)通用I/O 口:13 個(gè);

6)有EEPROM 功能;

7)看門狗;

8)內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路(外部晶體20 M 以下時(shí)，復(fù)位腳直接1 k 電阻到地);

9)PWM:2 路;

10)A/D 轉(zhuǎn)換:8 位精度ADC，共8 路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)300 k/s(每秒鐘30 萬(wàn)次);

11)工作溫度:－40 ℃～85 ℃。

5.5 軟件分析

軟件主要由上位機(jī)控制程序和下位機(jī)控制程序兩部分組成。軟件流程圖見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 上位機(jī)控制程序流程

圖6 主程序流程

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)結(jié)果滿足要求，運(yùn)行狀態(tài)良好，達(dá)到預(yù)期目的。

［1］張義和，王敏男，徐宏昌，等.例說(shuō)51 單片機(jī)［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［2］萬(wàn)山明.TMS320F281X DSP 原理及應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.