基于PIC单片机的直流电机控制器研究

2011-02-19周镜平

制造业自动化 2011年2期

韩军，周镜平

HAN Jun，ZHOU Jing-ping

（江西旅游商贸职业学院，南昌 330100）

0 引言

随着微电子技术的发展，微机功能以及电力电子、计算机控制技术也在快速的提高，电气传动领域出现了以微机为核心的数字控制系统。计算机的发展可以使复杂的控制系统变得更为方便，以计算机为核心的数字控制技术成为自控领域的主流，也为设计出性能更高的直流控制系统提供了基础。本文对基于PIC单片机的直流电机 PWM 调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了单闭环直流 PWM调速系统。

1 设计总体思路

本设计采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法，其方法就是相当于直流电电压降低，功率及转速降低。脉宽调制（PWM）是调整脉冲的宽度而不是频率。“脉冲宽了”指的是高电平时间长了，低电平时间短了，是通过改变电机电枢电压接通时间和通电周期的比值（即占空比）来控制电机速度，这种方法称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）简称PWM。即供电电压是宽度可调的脉冲电压，当脉冲最宽时，相当于直流电，功率最大，转速最高。脉冲宽度减脉冲频率并没有变。脉宽调制并不是直接调整电机的速度，而是改变电机的功率或扭矩。扭矩大了，换向加快，转速就提高了。

调速原理是通过控制脉冲占空比来改变电机的电枢电压。改变占空比的方法可选用定频调宽法，这种方法是使周期（即频率）不变，而同时改变通电时间。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加。电机断电时，转速逐渐减小。只有按一定规律，改变通电时间，即可实现对转速的控制。

2 设计思路的优越性

自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器—直流电机调速系统，PWM的H型属于调压调速，PWM的H桥能实现大功率调速；国内的超大功率调速还要依靠可控硅实现可控整流来实现直流电机的调压调速。本设计采用直流极式控制的桥式PWM变换器。与V-M系统相比在很多方面有较大的优越性：

1）主电路线路简单，需用的功率器件少。

2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电极损耗及发热都较小。

3）低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1：20000左右。

4）若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。

5）功率开关器件工作在开关状态，通道损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不大，因而装置效率高。

6）直流电机采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。

由于由以上优点直流PWM系统应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能中。已完全取代了V--M系统。为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截至负反馈。

3 系统的总体设计

系统总体方案设计如图1所示。

图1 直流电机多速控制器系统结构图

系统以PIC单片机为控制核心，通过键盘设置各段运行参数，也可通过电脑设置下载到单片机。单片机输出二进制控制量，经D/A转换电路将对应模拟电压送到直流伺服放大器的设定值输入端。放大器根据输入的模拟电压而输出对应的电压来控制直流电机的转速。直流电机同轴的光电编码器E输出A、B两路方波信号送到整形电路，通过整形电路送到单片机用于测量转速。不断比较设定值和实际值，根据比较获得的误差调节放大器的输出电压。显示部分显示各段设定的时间值、转速值和测量的转速值；单片机主要完成参数设置、转速测量、参数显示和控制输出等功能。

4 单片机的选择及特点

当今世界上涌现出各种各样的单片机，目前应用较广的主要有美国Intel公司开发和生产的MCS-51，MCS-96系列、台湾ICSI公司的8051系列、美国Motorola公司的MC68系列和美国Microchip公司的PIC系列等，其中各个系列的单片机都有其各自的优点，与其它系列相比，美国Microchip公司近几年推出的系列PIC单片机，它的最大优点表现在引脚少、功能强、可直接带LED负载：具有低耗能工作方式，较简便地实现掉电保护；外围配置简单、明晰、提高了整机的可靠性；并且具有较强的抗干扰性，大大提高了抵御外界的电磁干扰和本机控制电路的电磁干扰的能力，从而提高了工业电脑自动控制器的适应能力。所以本设计选用PIC18F458单片机，其特性如下：

1）CPU的性能特点

它有16位指令，8位宽数据通道，高达2MB的程序存储器，4kB的数据存储器，高达10MIPS的执行速度。DC-40MHz时钟输入，4-10MHz带 PLL锁相环有源晶振/时钟输入；带优先级的中断和8x8单周期硬件乘法器。

2）外围功能模块特性

捕捉/比较/脉宽调制（PWM）（CCP）模块；CCP引脚配置如下：捕捉输入：16位，最大分辨率为6.25ns；比较单元：16位，最大分辨率为100ns；脉宽调制（PWM）输出：分辨率为1-10位；最高PWM频率：88位分辨率时为156kHz，10位分辨率时为39kHz。增强型CCP模块具有标准型CCP模块的所有特性，但它在先进的电机控制时还有如下特性：1，2，4路的PWM输出；可选择PWM的极性；可编程的PWM死区时间。

3）运行速度高

PIC18F458由于采用了哈佛总线结构，以及指令的读取和执行采用了流水作业方式，使得PIC18F458单片机运行速度大大提高，远远高于其它相同档次的单片机。

4）功耗低

PIC18F458单片机的功率消耗极低，是目前世界上低的单片机之一。在8MHz时钟下工作时耗电不超过mA，在睡眠模式下耗电可以低到1mA以下。

5）驱动能力强

I/0端口驱动负载的能力较强，每个I/O引脚吸人和输出电流的最大值可分别达到2mA和20mA，能够直接驱动发光二极管LED、光电祸合器或者微型继电器等。

6）独特的C语言开发环境

对于PIC18F458单片机，Microchip公司提供了“C语言编译程序”，这样用C语言这样高级语言来进行程序设计，可大大的提高了工作效率。与一般的C语言版本如Turbo C相比，作为单片机的开发语言，PICC增加了针对PIC单片机硬件本身的操作，如端口、引脚的输入输出、寄存器的位操作等。

7）产品系列齐全、拥有高性能的高端产品

另外，必须说明的是，PIC系列单片机品种齐全、根据其指令的位数可分为初级产品、中级产品和高级产品，在以后的开发过程中，可根据具体需要选择单片机的型号。其高级产品一16位指令字系列的PIC17CXXX和PIC18CXXX。16位指令字系列是8位单片机中运行速度最快的，它具备一个指令周期内完成8位二进制乘法的能力，可以在一些需要高速运算的应用场合取代DSP数字信号处理器。再加上PIC17CXXX还具有丰富的I/0控制功能，并可以外接扩展EPROM和RAM，使它成为目前8位单片机中性能最高的品种之一，可被广泛的应用于高中档的电子设备中。而PIC18CXXX系列是一款高性能、全静态设计、内带A/D转换器的CMOS16位单片机，可应用于各种复杂和高性能的电子及工业控制。

正因为如此本设计选用PIC18F458单片机，为以后产品升级及个人能力的进一步提高都将带来便利。

5 硬件电路设计

本系统在设计硬件电路时主要从以下原则出发：

1）硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路。一些由硬件实现的功能可用软件来实现，反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。用软件来实现硬件的功能时，其响应时间比用硬件实现长，还要占用CPU时间。但是用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高硬件电路的可靠性，还可降低成本。因此在本系统的设计过程中，在满足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用软件来实现。

2）可靠性及抗干扰设计。根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长，而且所用芯片数量越少，地址、数据总线在电路板上受干扰的可能性就越少，因此单片机基本系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片。

3）灵活的功能扩展。一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善，需要进行功能升级。功能扩展时系统应该在原有设计不需要很大改变的情况下，修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指标。根据系统要求及上面几个硬件设计原则，系统以单片机PIC18F458为中央处理单元，由键盘输入电路，LCD显示，放大器连接电路等组成。

6 软件设计

一个较为简单的硬件电路系统功能的主要实现是依靠软件的设计来完成的。本系统的软件采用模块化设计，将系统分为若干个模块，分别实现各项功能，这样在系统软件的调试过程中，各个模块的独立调试有助于问题的发现和解决，在一定程度上节约了程序的调试时间。

该系统的整个软件设计全部采用模块化程序设计思想，由系统初始化模块、案件识别模块、LCD模块、高优先级和低优先级中断服务程序四大模块组成。其中，系统初始化模块、按键识别和LCD显示模块在主程序完成，而中断服务完成TMR0定时溢出中断、TMR1外部计数溢出中断、TMR3的1 计数溢出中断以及INT0外脉冲上边沿捕获中断等。系统软件的主程序如下图所示：