電動機分為交流電機和直流電機兩大類。長期以來,，直流電機以其良好的線性特性,、優(yōu)異的控制性能、較強的過載能力成為大多數(shù)變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇,，一直處在調(diào)速領(lǐng)域主導(dǎo)地位,。傳統(tǒng)的直流電機調(diào)速方法很多，如調(diào)壓調(diào)速,、弱磁調(diào)速等,，它們存在著調(diào)速響應(yīng)慢、精度差,、調(diào)速裝置復(fù)雜等缺點,。隨著全控式電力電子器件技術(shù)的發(fā)展， 以大功率晶體管作為開關(guān)器件的直流脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)已成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要發(fā)展方向,。

　　為配套24V直流電機,，設(shè)計了一種直流無刷電機驅(qū)動器。采用美國Microchip公司的PIC16F690單片機作為控制器,， MOSFET為驅(qū)動元件,， 配以相應(yīng)的控制軟件構(gòu)成控制系統(tǒng)。實踐表明,，整個系統(tǒng)的精度,、快速性以及可靠性等指標都能滿足實際需求。

　　1 PWM 直流調(diào)速原理

　　在PWM 調(diào)速系統(tǒng)中,，一般可以采用定寬調(diào)頻,、調(diào)寬調(diào)頻、定頻調(diào)寬3 種方法改變控制脈沖的占空比,，但是前兩種方法在調(diào)速時改變了控制脈寬的周期,，從而引起控制脈沖頻率的改變， 當(dāng)該頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時將會引起振蕩,。為避免之,，設(shè)計采用定頻調(diào)寬改變占空比的方法來調(diào)節(jié)直流電動機電樞兩端電壓,。

　　定頻調(diào)寬法的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)接通和斷開的時間比（占空比）來改變直流電機電樞上電壓的占空比,，從而改變平均電壓,，控制電機的轉(zhuǎn)速。在PWM 調(diào)速系統(tǒng)中,，當(dāng)電機通電時其速度增加,，電機斷電時其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通,、斷電的時間,，即可控制電機轉(zhuǎn)速。而且采用PWM 技術(shù)構(gòu)成的無級調(diào)速系統(tǒng),，啟停時對直流系統(tǒng)無沖擊,， 并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定的優(yōu)點,。為了說明問題,，現(xiàn)假定電機始終接通電源時，電機最大轉(zhuǎn)速為Vmax, 占空比為D = t /T, 則電機的平均速度Vd = D*Vmax, 由公式可知,，當(dāng)改變占空比D = t /T 時,，就可以得到不同的電機平均速度Vd,從而達到調(diào)速的目的。

　　在一般應(yīng)用中,，可將平均速度與占空比D 近似地看成線性關(guān)系,。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 總體設(shè)計原理

　　系統(tǒng)要求電機能夠按照設(shè)定值運轉(zhuǎn)，并能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制,，根據(jù)直流電機的PWM 控制要求,，控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括單片機控制電路、光電隔離電路,、驅(qū)動電路等幾個部分,，系統(tǒng)的硬件原理框圖，如圖1所示,。控制信號送入PIC 單片機模擬口,，經(jīng)過處理后,，輸出PWM控制脈沖，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性,，在單片機控制電路和電機驅(qū)動電路之間用光電耦合器（ TLP521） 實現(xiàn)電氣隔離,， 隔離后的控制信號經(jīng)電機驅(qū)動邏輯電路產(chǎn)生電機邏輯控制信號， 分別控制H橋的上下臂,，從而實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)和調(diào)速的目的,， 同時電機的轉(zhuǎn)速能通過編碼器反饋給單片機,， 實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖

　　2.2 控制電路

　　在單片機控制電路設(shè)計中,， 選用美國Microchip公司的PIC16F690單片機,， 與其他系列單片機相比， 它的最大優(yōu)點表現(xiàn)在引腳少,、功能強,、可直接帶LED負載； 具有低耗能工作方式,， 較簡便地實現(xiàn)掉電保護,；外圍配置簡單、明晰,、提高了整機的可靠性,； 并且具有較強的抗干擾性， 大大提高了抵御外界的電磁干擾和本機控制電路的電磁干擾的能力,， 從而提高了工業(yè)電腦自動控制器的適應(yīng)能力,。

　　設(shè)計中， 要求電壓和電流信號都能作為控制信號,， 達到控制電機的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速目的,， 為此先設(shè)計了一個電流/電壓轉(zhuǎn)換電路， 如圖2所示,。若輸入4~20mA 控制電流,， 則可以在采樣電阻R44上形成0 4~2 V 的電壓值， 輸入到單片機中進行處理,。在采樣電阻的兩端并聯(lián)一個瞬態(tài)二極管,， 起到保護的作用， 電容的存在可以起到濾波作用,， 令輸入到單片機的電壓信號更加穩(wěn)定,。

圖2 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路

　　由于電機在正常工作時對電源的干擾很大， 如果只用一組電源會影響單片機的正常工作,， 所以選用雙電源供電,。電源系統(tǒng)采用DC /DC 轉(zhuǎn)換芯片IB1215LS- 1W 和IB1209LS - 1W, 電路設(shè)計， 如圖3 所示,。

　　為防止瞬時輸入電壓過大,， 在電源入口放置穩(wěn)壓芯片7818, 再經(jīng)過瞬態(tài)二極管的降壓， 最后進入DC /DC芯片,， 得到兩路電壓15 V 和9 V, 電感L 1 和L2 的作用是組成 LC濾波網(wǎng)絡(luò),， 可以進一步減少輸入輸出紋波， 利用這兩路電壓經(jīng)過三端穩(wěn)壓芯片78L05就可以得到需要的5 V和+ 5 V 兩路電源系統(tǒng),， 分別給單片機控制電路和驅(qū)動電路供電,。

圖3 系統(tǒng)的電源電路設(shè)計

　　2.3 驅(qū)動電路

　　由于功率MOSFET 是壓控元件,， 具有輸入阻抗大、開關(guān)速度快,、無二次擊穿現(xiàn)象等特點,， 滿足高速開關(guān)動作需求， 因此采用IR 公司的場效應(yīng)管IRF9540和IRF540構(gòu)成H 橋電路的橋臂,。H 橋電路中的4個功率MOSFET 分別采用n溝道型和p溝道型,， 設(shè)計的電路原理， 如圖4所示,。

　　數(shù)字電平上下跳變時,， 集成電路耗電發(fā)生突變，引起電源產(chǎn)生毛刺,。數(shù)字電路越復(fù)雜,， 數(shù)據(jù)速率越高， 累計的電流跳變越強烈,， 高頻分量越豐富,， 而普通印刷電路板不能完全吸收邏輯電平跳變產(chǎn)生的電壓毛刺， 這種噪聲會嚴重干擾電路,。為了實現(xiàn)模擬電路和數(shù)字電路的隔離,， 提高信噪比， 有效的抑制噪聲對模擬電路的干擾,， 在PWM 信號從控制系統(tǒng)引出之后,， 需要經(jīng)過光電隔離， 才能送入驅(qū)動電路,。在不影響驅(qū)動器整體性能的前提下,， 使用TLP521- 1光電耦合器， 主要考慮的是價格因素,。

　　運放2902在電路中用作比較器,， 把輸入邏輯信號同基準電壓比較， 轉(zhuǎn)換成接近功率電源電壓幅度的方波信號,。運放的輸入電壓范圍不能接近負電源電壓,， 否則會出錯。因此在運放輸入端增加了防止電壓范圍溢出的二極管D 13,。輸入端的電阻R 50用于限流,，R66用于在輸入懸空時把輸入端降為低電平。

　　當(dāng)運放2902 輸出端為低電平時,， 三極管Q25截止,， 場效應(yīng)管Q23導(dǎo)通,。三極管Q16導(dǎo)通,， 場效應(yīng)管Q19截止,， 輸出為高電平。當(dāng)運放輸出端為高電平時,，三極管Q25導(dǎo)通,， 場效應(yīng)管Q23截止。三極管Q16截止,， 場效應(yīng)管Q19導(dǎo)通,， 輸出為低電平。

圖4 基于MOSFET的驅(qū)動電路設(shè)計

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計采用匯編語言編寫,， 在M plab集成開發(fā)環(huán)境中進行編譯,、仿真， 用軟件來實現(xiàn)硬件的功能,，不但可以降低成本,， 提高系統(tǒng)的可靠性， 還能簡化硬件結(jié)構(gòu),， 但其缺點是響應(yīng)時間比用硬件實現(xiàn)長,， 而且還要占用CPU 時間。設(shè)計過程中,， 在滿足可行性和實時性的前提下盡可能地將硬件功能用軟件來實現(xiàn),， 系統(tǒng)主程序流程圖， 如圖5所示,。

圖5 控制系統(tǒng)主程序流程圖

　　4 結(jié)語

　　干擾現(xiàn)象是電路調(diào)試和設(shè)計時必須考慮和重點解決的問題,， 不同電路其干擾源千差萬別， 干擾傳播途徑也多種多樣,， 干擾現(xiàn)象也各不相同,， 但它們?nèi)杂泄残浴Ｏ到y(tǒng)在設(shè)計和調(diào)試中就考慮了這些共性因素,， 并結(jié)合具體工作環(huán)境和各部分功能電路,， 采取了必要的抗干擾措施， 具體有如下幾點：

　?。?）合理布置電源濾波,、退耦電容；

　?。?）分區(qū)布局,， 將數(shù)字電路與模擬電路分開；

　?。?）合理設(shè)計地線,；

　　（4）電流通路的面積最??；

　?。?5）盡量加粗接地線和電源線；

　　在控制系統(tǒng)設(shè)計中,， 將控制電路和驅(qū)動電路分兩塊板布局,， 其中驅(qū)動板的PCB 設(shè)計， 如圖6 所示,，經(jīng)實驗證明,， 抗干擾措施取得了較理想的效果。

圖6 驅(qū)動電路PCB板設(shè)計圖