基于PIC單片機(jī)的直流電機(jī)控制器研究

韓 軍，周鏡平

HAN Jun，ZHOU Jing-ping

（江西旅游商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，南昌 330100）

0 引言

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)功能以及電力電子、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)也在快速的提高，電氣傳動(dòng)領(lǐng)域出現(xiàn)了以微機(jī)為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的發(fā)展可以使復(fù)雜的控制系統(tǒng)變得更為方便，以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字控制技術(shù)成為自控領(lǐng)域的主流，也為設(shè)計(jì)出性能更高的直流控制系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。本文對(duì)基于PIC單片機(jī)的直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了單閉環(huán)直流 PWM調(diào)速系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)總體思路

本設(shè)計(jì)采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速方法，其方法就是相當(dāng)于直流電電壓降低，功率及轉(zhuǎn)速降低。脈寬調(diào)制（PWM）是調(diào)整脈沖的寬度而不是頻率。“脈沖寬了”指的是高電平時(shí)間長(zhǎng)了，低電平時(shí)間短了，是通過(guò)改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間和通電周期的比值（即占空比）來(lái)控制電機(jī)速度，這種方法稱(chēng)為脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）簡(jiǎn)稱(chēng)PWM。即供電電壓是寬度可調(diào)的脈沖電壓，當(dāng)脈沖最寬時(shí)，相當(dāng)于直流電，功率最大，轉(zhuǎn)速最高。脈沖寬度減脈沖頻率并沒(méi)有變。脈寬調(diào)制并不是直接調(diào)整電機(jī)的速度，而是改變電機(jī)的功率或扭矩。扭矩大了，換向加快，轉(zhuǎn)速就提高了。

調(diào)速原理是通過(guò)控制脈沖占空比來(lái)改變電機(jī)的電樞電壓。改變占空比的方法可選用定頻調(diào)寬法，這種方法是使周期（即頻率）不變，而同時(shí)改變通電時(shí)間。在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加。電機(jī)斷電時(shí)，轉(zhuǎn)速逐漸減小。只有按一定規(guī)律，改變通電時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。

2 設(shè)計(jì)思路的優(yōu)越性

自從全控型電力電子器件問(wèn)世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開(kāi)關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器—直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，PWM的H型屬于調(diào)壓調(diào)速，PWM的H橋能實(shí)現(xiàn)大功率調(diào)速；國(guó)內(nèi)的超大功率調(diào)速還要依靠可控硅實(shí)現(xiàn)可控整流來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。本設(shè)計(jì)采用直流極式控制的橋式PWM變換器。與V-M系統(tǒng)相比在很多方面有較大的優(yōu)越性：

1）主電路線(xiàn)路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。

2）開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電極損耗及發(fā)熱都較小。

3）低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：20000左右。

4）若是與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。

5）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通道損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適中時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高。

6）直流電機(jī)采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。

由于由以上優(yōu)點(diǎn)直流PWM系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能中。已完全取代了V--M系統(tǒng)。為達(dá)到更好的機(jī)械特性要求，一般直流電動(dòng)機(jī)都是在閉環(huán)控制下運(yùn)行。經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截至負(fù)反饋。

3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 直流電機(jī)多速控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)以PIC單片機(jī)為控制核心，通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置各段運(yùn)行參數(shù)，也可通過(guò)電腦設(shè)置下載到單片機(jī)。單片機(jī)輸出二進(jìn)制控制量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電路將對(duì)應(yīng)模擬電壓送到直流伺服放大器的設(shè)定值輸入端。放大器根據(jù)輸入的模擬電壓而輸出對(duì)應(yīng)的電壓來(lái)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)同軸的光電編碼器E輸出A、B兩路方波信號(hào)送到整形電路，通過(guò)整形電路送到單片機(jī)用于測(cè)量轉(zhuǎn)速。不斷比較設(shè)定值和實(shí)際值，根據(jù)比較獲得的誤差調(diào)節(jié)放大器的輸出電壓。顯示部分顯示各段設(shè)定的時(shí)間值、轉(zhuǎn)速值和測(cè)量的轉(zhuǎn)速值；單片機(jī)主要完成參數(shù)設(shè)置、轉(zhuǎn)速測(cè)量、參數(shù)顯示和控制輸出等功能。

4 單片機(jī)的選擇及特點(diǎn)

當(dāng)今世界上涌現(xiàn)出各種各樣的單片機(jī)，目前應(yīng)用較廣的主要有美國(guó)Intel公司開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的MCS-51，MCS-96系列、臺(tái)灣ICSI公司的8051系列、美國(guó)Motorola公司的MC68系列和美國(guó)Microchip公司的PIC系列等，其中各個(gè)系列的單片機(jī)都有其各自的優(yōu)點(diǎn)，與其它系列相比，美國(guó)Microchip公司近幾年推出的系列PIC單片機(jī)，它的最大優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在引腳少、功能強(qiáng)、可直接帶LED負(fù)載：具有低耗能工作方式，較簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)；外圍配置簡(jiǎn)單、明晰、提高了整機(jī)的可靠性；并且具有較強(qiáng)的抗干擾性，大大提高了抵御外界的電磁干擾和本機(jī)控制電路的電磁干擾的能力，從而提高了工業(yè)電腦自動(dòng)控制器的適應(yīng)能力。所以本設(shè)計(jì)選用PIC18F458單片機(jī)，其特性如下：

1）CPU的性能特點(diǎn)

它有16位指令，8位寬數(shù)據(jù)通道，高達(dá)2MB的程序存儲(chǔ)器，4kB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，高達(dá)10MIPS的執(zhí)行速度。DC-40MHz時(shí)鐘輸入，4-10MHz帶 PLL鎖相環(huán)有源晶振/時(shí)鐘輸入；帶優(yōu)先級(jí)的中斷和8x8單周期硬件乘法器。

2）外圍功能模塊特性

捕捉/比較/脈寬調(diào)制（PWM）（CCP）模塊；CCP引腳配置如下：捕捉輸入：16位，最大分辨率為6.25ns；比較單元：16位，最大分辨率為100ns；脈寬調(diào)制（PWM）輸出：分辨率為1-10位；最高PWM頻率：88位分辨率時(shí)為156kHz，10位分辨率時(shí)為39kHz。增強(qiáng)型CCP模塊具有標(biāo)準(zhǔn)型CCP模塊的所有特性，但它在先進(jìn)的電機(jī)控制時(shí)還有如下特性：1，2，4路的PWM輸出；可選擇PWM的極性；可編程的PWM死區(qū)時(shí)間。

3）運(yùn)行速度高

PIC18F458由于采用了哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，以及指令的讀取和執(zhí)行采用了流水作業(yè)方式，使得PIC18F458單片機(jī)運(yùn)行速度大大提高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它相同檔次的單片機(jī)。

4）功耗低

PIC18F458單片機(jī)的功率消耗極低，是目前世界上低的單片機(jī)之一。在8MHz時(shí)鐘下工作時(shí)耗電不超過(guò)mA，在睡眠模式下耗電可以低到1mA以下。

5）驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)

I/0端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個(gè)I/O引腳吸人和輸出電流的最大值可分別達(dá)到2mA和20mA，能夠直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管LED、光電禍合器或者微型繼電器等。

6）獨(dú)特的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境

對(duì)于PIC18F458單片機(jī)，Microchip公司提供了“C語(yǔ)言編譯程序”，這樣用C語(yǔ)言這樣高級(jí)語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，可大大的提高了工作效率。與一般的C語(yǔ)言版本如Turbo C相比，作為單片機(jī)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，PICC增加了針對(duì)PIC單片機(jī)硬件本身的操作，如端口、引腳的輸入輸出、寄存器的位操作等。

7）產(chǎn)品系列齊全、擁有高性能的高端產(chǎn)品

另外，必須說(shuō)明的是，PIC系列單片機(jī)品種齊全、根據(jù)其指令的位數(shù)可分為初級(jí)產(chǎn)品、中級(jí)產(chǎn)品和高級(jí)產(chǎn)品，在以后的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可根據(jù)具體需要選擇單片機(jī)的型號(hào)。其高級(jí)產(chǎn)品一16位指令字系列的PIC17CXXX和PIC18CXXX。16位指令字系列是8位單片機(jī)中運(yùn)行速度最快的，它具備一個(gè)指令周期內(nèi)完成8位二進(jìn)制乘法的能力，可以在一些需要高速運(yùn)算的應(yīng)用場(chǎng)合取代DSP數(shù)字信號(hào)處理器。再加上PIC17CXXX還具有豐富的I/0控制功能，并可以外接擴(kuò)展EPROM和RAM，使它成為目前8位單片機(jī)中性能最高的品種之一，可被廣泛的應(yīng)用于高中檔的電子設(shè)備中。而PIC18CXXX系列是一款高性能、全靜態(tài)設(shè)計(jì)、內(nèi)帶A/D轉(zhuǎn)換器的CMOS16位單片機(jī)，可應(yīng)用于各種復(fù)雜和高性能的電子及工業(yè)控制。

正因?yàn)槿绱吮驹O(shè)計(jì)選用PIC18F458單片機(jī)，為以后產(chǎn)品升級(jí)及個(gè)人能力的進(jìn)一步提高都將帶來(lái)便利。

5 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)主要從以下原則出發(fā)：

1）硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合優(yōu)化硬件電路。一些由硬件實(shí)現(xiàn)的功能可用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，反過(guò)來(lái)一些由軟件實(shí)現(xiàn)的功能也可用硬件來(lái)完成。用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件的功能時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間比用硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)，還要占用CPU時(shí)間。但是用軟件實(shí)現(xiàn)硬件的功能可以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，提高硬件電路的可靠性，還可降低成本。因此在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，在滿(mǎn)足可行性和實(shí)時(shí)性的前提下盡可能地將硬件功能用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2）可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)。根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)理論，系統(tǒng)所用芯片數(shù)量越少，系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間越長(zhǎng)，而且所用芯片數(shù)量越少，地址、數(shù)據(jù)總線(xiàn)在電路板上受干擾的可能性就越少，因此單片機(jī)基本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是在滿(mǎn)足功能的情況下力爭(zhēng)使用較少數(shù)量的芯片。

3）靈活的功能擴(kuò)展。一次設(shè)計(jì)往往不能完全考慮到系統(tǒng)的各個(gè)方面，系統(tǒng)需要不斷完善，需要進(jìn)行功能升級(jí)。功能擴(kuò)展時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該在原有設(shè)計(jì)不需要很大改變的情況下，修改軟件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能擴(kuò)展是否靈活是衡量一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。根據(jù)系統(tǒng)要求及上面幾個(gè)硬件設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)以單片機(jī)PIC18F458為中央處理單元，由鍵盤(pán)輸入電路，LCD顯示，放大器連接電路等組成。

6 軟件設(shè)計(jì)

一個(gè)較為簡(jiǎn)單的硬件電路系統(tǒng)功能的主要實(shí)現(xiàn)是依靠軟件的設(shè)計(jì)來(lái)完成的。本系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為若干個(gè)模塊，分別實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，這樣在系統(tǒng)軟件的調(diào)試過(guò)程中，各個(gè)模塊的獨(dú)立調(diào)試有助于問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)和解決，在一定程度上節(jié)約了程序的調(diào)試時(shí)間。

該系統(tǒng)的整個(gè)軟件設(shè)計(jì)全部采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，由系統(tǒng)初始化模塊、案件識(shí)別模塊、LCD模塊、高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)程序四大模塊組成。其中，系統(tǒng)初始化模塊、按鍵識(shí)別和LCD顯示模塊在主程序完成，而中斷服務(wù)完成TMR0定時(shí)溢出中斷、TMR1外部計(jì)數(shù)溢出中斷、TMR3的1 計(jì)數(shù)溢出中斷以及INT0外脈沖上邊沿捕獲中斷等。系統(tǒng)軟件的主程序如下圖所示：

圖2 主程序框圖

7 結(jié)論

利用PIC系列芯片進(jìn)行低成本直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成、降低系統(tǒng)成本、增強(qiáng)系統(tǒng)性能、滿(mǎn)足更多應(yīng)用場(chǎng)合的需要。并對(duì)研究制造高性能、高可靠性的直流電機(jī)控制系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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