盧佳慧，張寶珍

（福建省機(jī)械科學(xué)研究院，福建 福州 350005）

直流電機(jī)控制器調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制信號(hào)是模擬量信號(hào)，電壓值范圍是0.8～3.6 V，其中0.8～1.0 V表示待機(jī)工作狀態(tài)，1.0～3.6 V表示電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。常用輸出模擬量信號(hào)的設(shè)計(jì)包括DA（Digital-to-Analog Converter）數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬量模塊（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“DA轉(zhuǎn)化模塊”）和ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊。在新能源無(wú)人船的控制應(yīng)用中，無(wú)人船動(dòng)力電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)大負(fù)荷沖擊電流，這些沖擊電流會(huì)耦合出強(qiáng)干擾信號(hào)，由于DA轉(zhuǎn)化模塊的驅(qū)動(dòng)能力較小，抗干擾能力較弱，容易被干擾信號(hào)損壞；ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊屬于電源特性的模塊，其輸出驅(qū)動(dòng)能力和抗沖擊干擾的性能均較DA轉(zhuǎn)化模塊更強(qiáng)、更可靠?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)控制ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊輸出模擬量信號(hào)的設(shè)計(jì)提供新能源無(wú)人船所需模擬量信號(hào)。

1 設(shè)計(jì)原理框圖

ADJ 開(kāi)關(guān)電源模塊的電氣特性是輸出可調(diào)，工作模式是通過(guò)改變反饋引腳的電阻阻值調(diào)節(jié)反饋電壓，輸出可調(diào)的模擬量信號(hào)。本文采用單片機(jī)的SPI總線發(fā)送命令操作數(shù)字電位器，數(shù)字電位器根據(jù)獲得的命令輸出對(duì)應(yīng)的電阻阻值，提供給ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊的反饋引腳，從而輸出可調(diào)的模擬量信號(hào)。為了確定輸出的模擬量信號(hào)值是否正確，單片機(jī)通過(guò)AD（Analog-to-Digital Converter）模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量模塊（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“AD轉(zhuǎn)化模塊”）檢測(cè)輸出的模擬量電壓值。功能原理圖如圖1所示。

圖1 ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊功能原理圖

2 ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊

常用的ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊如LM2576-ADJ，工作原理圖如圖2。通過(guò)改變外部電阻R2的阻值得到不同的分壓值，分壓值輸入到反饋引腳F，反饋引腳內(nèi)是一個(gè)穩(wěn)壓基準(zhǔn)比較器，穩(wěn)壓基準(zhǔn)比較器將分壓值和基準(zhǔn)值根據(jù)比較器的差值輸出不同的模擬量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)輸出可調(diào)的模擬量信號(hào)。U out是輸出的模擬量信號(hào)，Uref是穩(wěn)壓基準(zhǔn)比較器的基準(zhǔn)電壓，電壓值是1.23 V，Uout和外部電阻R2的計(jì)算關(guān)系如式⑴所示。

圖2 ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊工作原理圖

根據(jù)式⑴，無(wú)論電阻R2取任何阻值，模擬量信號(hào)Uout的電壓值都無(wú)法低于1.23 V，因此，要滿(mǎn)足直流電機(jī)控制器接收模擬量信號(hào)的電壓范圍0.8～3.6 V，需要對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分析，選擇小于0.8 V的基準(zhǔn)電壓。

3 基準(zhǔn)電壓原理

ADJ 開(kāi)關(guān)電源模塊內(nèi)部需要一個(gè)已知而且與溫度系數(shù)無(wú)關(guān)的準(zhǔn)確電壓作為參考電壓，這樣ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊才能輸出一個(gè)穩(wěn)定的準(zhǔn)確的電源電壓值，如式⑴中的1.23 V這個(gè)值就是基準(zhǔn)電壓值。ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊內(nèi)部采用雙極結(jié)點(diǎn)帶隙基準(zhǔn)工作模式作為基準(zhǔn)電壓，帶隙基準(zhǔn)是利用一個(gè)具有正溫度系數(shù)的電壓與具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓之和，二者溫度系數(shù)相互抵消，實(shí)現(xiàn)與溫度無(wú)關(guān)的電壓基準(zhǔn)。雙極結(jié)點(diǎn)的基極（b）和發(fā)射極（e）的特性，正向電流情況下電壓值Vbe隨溫度升高而變?。╒be為0.63V），另一個(gè)特性，反向電流情況下ΔVbe電壓值隨溫度升高而變大（ΔVbe為0.60V），Vbe和ΔVbe溫度變化系數(shù)一樣，但是方向相反，正負(fù)相互抵消，消除了溫度系數(shù)的影響，因此雙極結(jié)點(diǎn)帶隙基準(zhǔn)的電壓值為0.63 V+0.6 V=1.23 V。若在ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊內(nèi)部的雙極結(jié)點(diǎn)帶隙基準(zhǔn)電路上加一個(gè)divider電路（除法電路），可獲得更低的ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊的基準(zhǔn)電壓值。MCP1726-ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊的基準(zhǔn)電壓Uref是0.41 V，其模塊內(nèi)部就采用了除3的divider電路1.23 V÷3=0.41 V，得到0.41 V的基準(zhǔn)電壓。

根據(jù)式⑴，MCP1726-ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊的R2阻值與輸出Uout模擬量信號(hào)電壓值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，當(dāng)R1取10 kΩ，R2的取值范圍從9.6～79.6 kΩ，輸出電源Uout電壓值相應(yīng)變化范圍為0.8～3.6 V。

表1 R2阻值與輸出Uout模擬量信號(hào)電壓值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 數(shù)字電位器

4.1 工作原理

由表1可以看出R2電阻取值范圍為9.6～78.96 kΩ，對(duì)應(yīng)輸出Uout模擬量信號(hào)范圍為0.8～3.6 V，滿(mǎn)足了直流電機(jī)控制器的控制信號(hào)要求。本文采用X9C104數(shù)字電位器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“數(shù)字電位器”）輸出變化的電阻阻值，其工作原理圖如圖3所示，數(shù)字電位器有100階檔位，電阻阻值范圍為0.04～100 kΩ，滑動(dòng)增量為1.01 kΩ。X9C104內(nèi)部有99個(gè)電阻單元的電阻陣列，每個(gè)電阻單元和兩端點(diǎn)（RH、RL）都有被滑動(dòng)單元（RW）訪問(wèn)的觸頭，阻值升降控制數(shù)據(jù)線（U/D）、遞增控制數(shù)據(jù)線（INC）、芯片被選擇控制數(shù)據(jù)線（CS）組成的數(shù)據(jù)總線接收單片機(jī)的命令，獲得命令后通過(guò)譯碼器控制滑動(dòng)單元訪問(wèn)對(duì)應(yīng)的電阻單元，輸出需要的電阻阻值。數(shù)字電位內(nèi)部還有一個(gè)非易失性存儲(chǔ)器，可以存儲(chǔ)記憶控制的電阻數(shù)據(jù)，并且斷電后不會(huì)丟失。

圖3 數(shù)字電位器工作原理圖

4.2 工作時(shí)序

數(shù)字電位器的工作時(shí)序如圖4所示。CS引腳為高電平時(shí)，停止總線接收數(shù)據(jù)；為低電平時(shí)，U/D和INC引腳才能接收數(shù)據(jù)。U/D引腳為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始往99累加；為低電平時(shí)，往0遞減。INC引腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，計(jì)數(shù)器根據(jù)U/D狀態(tài)累加或遞減一次。

圖4 數(shù)字電位器工作時(shí)序圖

4.3 控制軟件流程

數(shù)字電位器的控制軟件流程如圖5所示，先判斷是否有調(diào)整電阻值標(biāo)志，需要調(diào)整電阻值時(shí)，判斷是否增加或者減小電阻阻值。相應(yīng)配置U/D引腳高電平或者低電平，置INC引腳高電平為改變RW滑動(dòng)單元準(zhǔn)備，延時(shí)1μs確定INC高電平有效，配置CS引腳低電平，延時(shí)2μs確定CS的低電平有效；數(shù)字電位器開(kāi)始允許接收命令，置INC引腳為低電平，延時(shí)2μs確定INC由高電平變?yōu)榈碗娖綖橛行Р僮鳎瓿梢淮蜶W滑動(dòng)單元累加或遞減改變電阻阻值。之后重新配置CS引腳高電平，禁止數(shù)字電位器被干擾信號(hào)誤操作，配置INC引腳為高電平，為下一次命令做準(zhǔn)備，清除調(diào)整電阻值標(biāo)志，完成調(diào)整電阻阻值軟件操作。

圖5 數(shù)字電位器的控制軟件流程

4.4 硬件電路設(shè)計(jì)

數(shù)字電位器硬件控制電路設(shè)計(jì)如圖6所示。圖中U2器件是單片機(jī)PIC18F67J11，IC2器件是ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊芯片MCP1726-ADJ，IC3器件是X9C104數(shù)字電位器芯片，ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊的ADJ引腳外圍電路由電阻R1、R3，數(shù)字電位器電阻陣列的2端RH、RL引腳，以及滑動(dòng)單元RW引腳組成。X9C104芯片電阻阻值范圍為0.04～100 kΩ，參考表1可以看出，X9C104自身的阻值范圍就可以滿(mǎn)足0.8～3.6 V的模擬量值。但是，實(shí)際操作中X9C104初始化時(shí)會(huì)出現(xiàn)RW端滑到第0值（參考圖3）的情況，此時(shí)RH、RL、RW引腳都連接在一起，數(shù)字電位器輸出最小電阻0.04 kΩ，根據(jù)式⑴，0.41×（1+0.04/10）得到電壓值約0.41 V，該電壓值小于0.8 V，直流電機(jī)控制器無(wú)法進(jìn)入待機(jī)工作狀態(tài)，因此電路設(shè)計(jì)時(shí)加入起始電阻R3阻值為9.6 kΩ，X9C104初始化后根據(jù)式⑴可得：0.41×[1+(9.6+0.04)/10]=0.81 V，直流電機(jī)控制器正常進(jìn)入待機(jī)工作狀態(tài)。通過(guò)控制CS、U/D、INC數(shù)據(jù)總線調(diào)整X9C104的RW端，RW端每調(diào)整一次為1.01 kΩ，從0.04 kΩ到70 kΩ可以滑動(dòng)70次，說(shuō)明了直流電機(jī)控制器可以輸出多達(dá)70檔的速度，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以做到很平穩(wěn)的變速運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖6 數(shù)字電位器硬件控制電路設(shè)計(jì)

5 AD轉(zhuǎn)換跟蹤設(shè)計(jì)

判斷ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊輸出的模擬量信號(hào)V0（參考圖6）是否達(dá)到預(yù)期值，就需要跟蹤讀取輸出模擬量信號(hào)的電壓值，單片機(jī)PIC18F67J11的RA0引腳是AD轉(zhuǎn)換模塊AN0通道，通過(guò)配置AD轉(zhuǎn)換模塊的功能屬性，開(kāi)啟AD轉(zhuǎn)換功能，實(shí)時(shí)跟蹤模擬量信號(hào)，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)格式，通過(guò)軟件進(jìn)行計(jì)算和比較，確定是否達(dá)到預(yù)期值，若與預(yù)期值不相符，則軟件重新控制調(diào)整數(shù)字電位器的輸出電阻阻值，做到精準(zhǔn)控制直流電機(jī)控制器。

6 結(jié)束語(yǔ)

在新能源無(wú)人船動(dòng)力電機(jī)的直流無(wú)刷雙?？刂破髟O(shè)計(jì)中，采用ADJ開(kāi)關(guān)電源模塊輸出模擬量信號(hào)作為控制信號(hào)，滿(mǎn)足了0.8～3.6 V電壓范圍，通過(guò)單片機(jī)控制數(shù)字電位器，實(shí)現(xiàn)多檔可調(diào)輸出，使電機(jī)轉(zhuǎn)速變化更加平穩(wěn)，應(yīng)用AD轉(zhuǎn)換跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。本文分析了基準(zhǔn)電壓原理，使模擬量輸出范圍更寬，并通過(guò)軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合，在無(wú)人船動(dòng)力電機(jī)應(yīng)用中取得很好的控制效果，可靠性高，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。