李玉軍

(中國船舶集團第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

1 引 言

在各類電機控制系統(tǒng)中，直流電動機具有良好的啟動、制動、調速性能及較硬的機械特性，因而直流調速技術應用十分廣泛。直流電動機控制最常用的直流調速技術是脈寬調制(Pulse width Modulation, PWM)，其具有響應速度快、調速精度高、損耗低和調速范圍廣等優(yōu)點[1]。PWM可應用于電動車輛要求的低速恒轉矩、高速恒功率控制及電梯、機床、紡織、造紙等傳動控制大功率場合，也可以應用于某些設備要求正轉、反轉、電動、制動四象限運行小微型功率等高性能調速技術的應用場合。

為了適配某具有旋回、俯仰功能的車載轉臺直流電機伺服驅動系統(tǒng)，本文設計了一種基于ARM芯片和嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ及相應軟件模塊實現的直流電動機PWM調速控制系統(tǒng)，通過調節(jié)PWM信號的占空比，使用MOSFET控制電路的通斷，實現對電機正反轉及速度控制。

2 直流電機控制系統(tǒng)電路設計

2.1 系統(tǒng)電路設計

為了實現某具有旋回、俯仰功能的車載轉臺直流電機伺服驅動的功能，參考相關PWM模塊的直流電機調速系統(tǒng)設計方法[2-4]，本直流電機PWM調速系統(tǒng)電路設計如圖1所示。

圖1 直流電機PWM調速系統(tǒng)電路設計

系統(tǒng)以ARM7系列的LPC213X微控制器為核心，外設開關、人機輸入模塊，MOSFET驅動模塊，電機電壓、電流取樣及電路過流保護模塊，顯示模塊，通信模塊，4組MOSFET及直流電機。當MOSFET管Q1組、Q4組導通時，MOSFET管Q2組、Q3組關斷，電機兩端加正向電壓實現電機的正轉或反轉制動；當MOSFET管Q2組、Q3組導通時，MOSFET管Q1組、Q4組關斷，電機兩端為負向電壓，電機反轉或正轉制動[5]。

PWM信號的時基頻率由LPC213X編程設定，電機速度(占空比)通過調整電位計或給定電壓值來設定。給定電壓經A/D轉換口由系統(tǒng)軟件換算成PWM信號的占空比，控制電機的轉速。電機運行方向及控制器的啟動使能由一組外部開關控制。為了避免電機運行過程中出現異常過壓、過流，電路中對電機的電壓與電流進行取樣，根據過壓、過流情況來限制PWM信號的脈寬。如果過壓、過流時間過長，則停機報警。此外，根據使用需要，系統(tǒng)選配液晶顯示模塊及串口通信模塊，可以實現遠距離監(jiān)控[6-8]。

2.2 系統(tǒng)電路關鍵元件的選型

2.2.1 核心控制芯片選型

本直流電機PWM調速系統(tǒng)控制需要4個單邊沿控制或2個雙邊沿控制PWM輸出、24路GPIO口、3路10位A/D轉換口、2串口(1路遠程控制，1路接收光電編碼器位置反饋)實現遠程通信，滿足嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ運行的需要。

LPC213X具有片內32KB至512KB的高速FLASH存儲器，8KB至32KB片內的SRAM數據存儲空間，支持8路10位A/D轉換口與1路D/A轉換口，擁有6個單邊沿控制或3個雙邊沿控制PWM輸出，可提供2路串口等諸多特性?？紤]到LPC213X市場用量廣、價格便宜、性價比高，本設計選用LPC2134，其具有片內128KB的FLASH和16KB的SRAM，滿足嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ運行的需要。

2.2.2 MOSFET的選型

因系統(tǒng)中直流電機額定電壓為24V、額定電流為45A，根據相關選型手冊、理論計算及考慮使用低溫過載環(huán)境情況，系統(tǒng)中MOSFET使用P溝道IRF4905(Q1、Q2)及N溝道IRF3205(Q3、Q4)。這兩型MOSFET內部都自帶快速可關斷續(xù)流二極管，因此系統(tǒng)電路中不用增加續(xù)流二極管。IRF4905的參數VDSS=-55V，RDS(on)=0.02W，ID=-74A。IRF3205的參數VDSS=55V，ID=110A，RDS(on)=0.008W，二者溫度范圍均為-55℃～175℃，dv/dt=5.0V/ns。為了保證直流電機過載運行時電流的2～3倍余量，H橋每組采用兩個MOSFET并聯使用，系統(tǒng)PWM頻率在1～20kHz范圍。由以上參數可知，本系統(tǒng)選用的MOSFET在電流、電壓及PWM頻率上均滿足系統(tǒng)要求。

2.2.3 電機的選型

因系統(tǒng)中直流供電電壓為直流24V，最大電流載流100A，驅動負載轉矩轉換為電機功率為600W，根據相關選型手冊、理論計算及考慮使用過載余量，電機選用24V、額定電流45A的直流永磁電機。

3 MOSFET驅動電路及PWM頻率選擇

3.1 MOSFET驅動電路

MOSFET驅動電路主要有兩種。

(1)使用IR2110的高壓浮動MOSFET柵極驅動集成芯片。該方法的驅動效果好，而且內部集成了死區(qū)時間控制，對于大功率、高電源電壓、大電流的應用場合，一般使用這種方法。

(2)雙極型三極管對管驅動。如圖2所示，驅動電路由電阻R1、R2及一對小功率開關三極管對管Q1、Q2組成。在本直流電機PWM調速系統(tǒng)中，考慮使用成本及實用性能，選用三極管對管驅動來完成MOSFET管的高速驅動。

圖2 雙極型三極管對管驅動

3.2 PWM頻率選擇

PWM波的頻率對直流電機運行特性有較大的影響，隨著頻率增加，電機運行的抖動和噪聲減小，但MOSFET發(fā)熱會增加。綜合硬件設計條件，使用PWM控制電機時，應選取合適的頻率。

實際的電機能夠達到的最高轉速和轉速最穩(wěn)定的PWM信號頻率，與電機驅動板的具體電路有關，一般在8～12kHz左右。根據有關工程實踐使用經驗，小微型直流電機在8～20kHz頻率范圍運行較合適。

本直流電機PWM調速系統(tǒng)中，經試驗測試發(fā)現，隨著PWM頻率的提升(大于10kHz)，MOSFET發(fā)熱明顯；降低PWM頻率(小于5kHz)時，直流電機在低速時轉速不穩(wěn)定。大量測試發(fā)現，本直流電機PWM調速系統(tǒng)中，PWM頻率使用10kHz較好。在該PWM頻率下，直流電機運行轉速穩(wěn)、無嘯叫，電機產生的諧波及干擾較少，MOSFET發(fā)熱量可控。

4 控制軟件的設計

4.1 μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)

μC/OS-Ⅱ擁有一個內核，具有任務管理、任務間的通信與同步、時間管理和內存管理等基本功能。本直流電機PWM調速系統(tǒng)選用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，移植主要完成的工作是修改與處理器相關的3個文件(OS_CPU.H，OS_CPU_ASM.S，OS_CPU_C.C)，只需編寫少量代碼即可完成系統(tǒng)的移植[9]。

4.2 軟件任務劃分

應用軟件有6個主要任務，優(yōu)先級由高到低分別為：初始化任務、停止任務、正/反轉運行任務、PWM占空比控制任務、LCD顯示、串口通信等任務。這些任務同時需要和對應的中斷服務程序配合協(xié)同工作[7]，系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件工作流程圖

以下給出了初始化任務中PWM初始化的示例。

void TaskInit(void *pdata)

{

……

/* PWM初始化*/

PWM1PR = 0x00; // 不分頻，計數時鐘為Fpclk

PWM1MCR = 0x02; // 設置MR0匹配時復位TC

PWM1MR0 = (Fpclk+5000)/10000; // 設置PWM頻率為10kHz

PWM1MR6 = (Fpclk+5000)*1/100000; // 設置PWM6占空比為10%

PWM1MR2 = (Fpclk+5000)*1/100000; // 設置PWM2占空比為10%

PWM1LER = 1 | (1<<2) | (1<<6); // MR0和MR2/MR6鎖存

PWM1PCR =(1 << 14)| (1<<10); // 允許PWM2/PWM6輸出，單邊PWM

PWM1TCR = 1 |(1 << 3); // 啟動PWM定時器

……

}

5 系統(tǒng)安全保護設計及電磁兼容設計

5.1 防止共態(tài)導通

圖1所示電路中，如果在Q1還沒有完全退出截止狀態(tài)時Q3進入了導通狀態(tài)，使得電源和地短路，這種現象稱為共態(tài)導通。解決共態(tài)導通有硬件方法與軟件方法。硬件方法可靠但會增加電路的復雜性與成本；軟件方法較簡單，只需在換路時增加一些延時。本設計采用軟件解決方案[7,8]，將死區(qū)時間設置為2.8μs。

5.2 消除反向電動勢

當電源瞬間斷開或電機瞬間反轉時，由于電機屬于感性負載，電機的兩端會產生反向電壓。大部分MOSFET管內部集成了續(xù)流二極管，可以將該電流旁路到電源回路，但是這樣會造成主控制電路板電壓噪聲，進而影響主控制電路板的正常運行。因此，必須在電源輸入端并聯一個0.1～0.22μF的高耐壓電容(瓷質電容或鉭電容)到地，同時并聯一個大容量的電解電容，通過以上電容吸收電機反向電動勢的能量，避免對主控制電路板電源的沖擊。

5.3 電機的過壓、過流監(jiān)測

電機兩端的對地電壓經分壓取樣送入LPC2134的A/D采樣口，從而可以計算出電機的電樞電壓。電機的電流取樣電路如圖4所示，電阻R32上的電壓經LM324放大后送入LPC2134的A/D采樣口，從而可以計算出電機的電樞電流。

圖4 電機電流取樣電路原理圖

5.4 系統(tǒng)的電磁兼容設計

電源是控制系統(tǒng)中傳導EMI噪聲進入主控制電路板的主要途徑之一。因此，電源的抗干擾性能關系到控制電路板的總體EMC性能[10]。除了沿電源傳遞到控制電路板的傳導型EMI噪聲外，控制電路板內部的數字器件高速開關引起的供電電源噪聲也會影響主控制電路板內其它功能電路的正常運行。為了減小或消除這些干擾，系統(tǒng)內電磁兼容設計主要采取以下方法：(1)主控制電路板選用DC/DC全隔離電源模塊供電；(2)主控制電路板的布線數字信號與模擬信號盡量分開布局，大面積覆銅接地，消除耦合諧波；(3)并聯接地去耦電容消除高次諧波；(4)插入共模磁珠形成扼流圈消除耦合。

6 結束語

本文提出了一種基于ARM嵌入式系統(tǒng)的PWM直流電機調速控制系統(tǒng)設計方法，對調速控制系統(tǒng)的硬件實現、工作原理、控制軟件設計方法、控制系統(tǒng)的安全保護以及電磁兼容等進行了論述。本技術設計通過軟件擴展可以實現更靈活的控制算法以提高系統(tǒng)性能，并可進一步擴展到步進電機的精確位置控制中。大量運行及試驗結果表明，該系統(tǒng)具有較好的動靜態(tài)性能，占空比可在0.025～1范圍連續(xù)可調，其可推廣應用于類似小微型直流電機調速及伺服控制系統(tǒng)之中。