直流有刷电机驱动控制器设计

摘 要：采用MS51FB9AE单片机设计了一款低成本、高可靠性、高安全性的直流有刷电机驱动控制器。该控制器工作电压20 V，功率100 W，由功率管构建斩波回路和安全回路，利用单片机内置的PWM模块实现调速和保护功能，防止运行事故。该控制器能够提供可靠的断路保护，其数模转换模块负责采集温度、电压、电流信号，提供系统各种保护功能，串口模块实现与上位机通信；控制器充分利用GPIO复用功能，并结合查理复用原理实现有限IO多路复用。

关键词：直流有刷电机；控制器；驱动；硬件设计；软件设计

中图分类号：TP23    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）16-0058-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.015

0    引言

直流有刷电机因其结构简单，启动效率高，具备很强的负载能力以及适应不同转速条件下的负载突变等特点，被广泛应用于低成本的应用场合，例如割草机、吸尘器、玩具等[1-2]。直流有刷电机的运行性能依赖于驱动器，如驱动电压不稳定，可能导致直流有刷电机调速性能下降以及使用寿命缩短等问题[3-4]。因此，提升直流有刷电机驱动电路可靠性与安全性，对于保证其应用优势具有十分重要的意义。

本文设计了一款低成本、高安全性、高可靠性的直流有刷電机驱动控制器。该控制器采用NUVOTON公司生产的MS51FB9AE芯片为主控单元，组合了DC/DC电源、信号采样、功率驱动、通信和外围等电路，能够以较低的应用成本实现直流有刷电机的高性能运行控制。

1    直流有刷电机驱动控制器硬件设计

1.1    硬件电路总体设计方案

直流有刷电机驱动控制器的总体设计方案如图1所示，该方案使用MS51FB9AE作为主控芯片，实现直流有刷电机的驱动、调速、保护以及相关交互功能。微控制器PWM模块产生多路PWM信号，结合驱动电路控制MOS管T5斩波，调节加给串联绕组的电压，实现电机调速功能，T4管用来实现电子刹车功能，T7管用来安全防护。同时，利用ADC模块对驱动系统中的直流电压、电机电流以及温度等信号进行采集，并将数据提供给微控制器实现软件保护、逻辑功能。使用串口模块与上位机进行通信，实现运行程序的监督或在线升级功能。此外，控制器还充分利用MS51FB9AE的引脚资源，通过复用形式最大限度实现如LED指示灯等外围设备的驱动。

1.2    MS51FB9AE外围电路

图2给出了单片机主控电路，本控制器选用NUVOTON公司生产的MS51FB9AE搭建主控电路，该芯片是一款增强型8位8051内核的微控制器，有20脚，工作频率最高可达24 MHz，芯片内部集成了丰富的外设资源，除去2个电源引脚，还具备18脚可复用的通用GPIO。MS51FB9AE具备定时器、6路PWM输出通道以及8路12位ADC采样通道，支持UART、SPI、IIC等通信协议，性价比高，功能丰富，能够充分满足直流有刷电机控制的资源需求。本控制器针对主控芯片有限的GPIO资源，在使用时结合引脚复用以及查理复用原理，对基本输入/输出外围设备进行拓展，以提高单片机的应用灵活性。

1.3    电源电路

图3所示为控制器的电源电路，整个控制器由外部电池提供电源，电压20 V，通过电阻分压，提供约12 V输入到线性稳压器（LDO）MD85E50芯片中，LDO产生5 V电压输出提供给主控芯片MS51FB9AE。为了保障电源电路的可靠性和安全性，当通电开关关闭后，主控芯片可以通过Self On信号来关闭电源回路，软件控制实现自关闭功能。

1.4    驱动电路

图4展示了驱动电路，在本设计中，驱动电路主要由3个MOS管构成，MOS管型号为SVG042R5NL5，能够承受的漏源电压为40 V，最大可通过漏极电流为108 A。其中，T4 MOS管构成制动电流通路，当电机在高速运行状态下突然制动时，由于反电动势的存在，电机两端可能会产生较大的泵升电压，此时可以通过HO信号开通T4，分担制动电流以防止损坏驱动电路。T5为主驱动MOS管，用于控制直流有刷电机运行，根据伏秒平衡原理，当电机运行时，主控芯片通过调整LO输入的PWM驱动信号占空比来控制加载在直流有刷电机上的电压大小，从而达到精准调速的效果。T7作为T5的下级保护电路存在，用于保护电机和驱动电路的安全。当电机正常运行时，通过Safe_DR信号开通T7，构成正常的驱动回路来控制电机运行。当T5 MOS管因为运行出错而出现短路故障时，主控芯片可以通过关闭T7来断开驱动回路，从而停止电机，保障设备安全。

1.5    采样电路

电流采样电路结构如图5所示，采用LMV358运算放大器进行信号调理，通过设置合适的放大系数，获取直流电流大小。在本控制器中，分别对直流母线电压、母线电流、电机温度、驱动板温度等信号进行了采样，并输入MS51FB9AE的ADC通道进行处理，同时在软件内部设置了相应的软件保护。

1.6    串口通信电路

为了能够对控制器运行程序进行监控与更新，设计了串口通信电路，如图6所示。在串口通信电路中，通过光耦隔离电路对RX和TX信号进行隔离，从而减小系统运行时电磁干扰对串口通信的影响，提升控制器的通信稳定性。

2    直流有刷电机驱动控制器软件设计

图7展示了本控制器的软件流程图，MS51FB9AE芯片具备两个独立的存储区APROM和LDROM，便于利用串口通信实现在线系统编程。当控制器上电之后，程序开始判定是否需要更新当前程序，如果需要更新，则执行Bootloader引导程序完成更新，否则控制器将进入有限状态机循环。有限状态机将每2 ms执行一次，并根据按键指令切换状态。每次执行完子状态任务函数后，将执行软件保护任务，对相关采样值进行判断，如果不在有效范围内，则系统会发出报警并退出等待用户手动复位。

3    实验结果

图8是电机启动加速、全速运行、溜车减速、短接制动全过程的相关波形，从上到下依次是电机电流、电机负端对地电压及电机绕组电压。根据波形可知，软启动过程约耗时800 ms，而后20 V直流电压全部加载到电机绕组上，稳态电流约3 A，2.5 s后收到停机指令，电机滑动溜车减速1 s，再将并联在电机绕组旁的T4开通，实现短接制动，电机迅速刹停。

4    结束语

本文介绍了一款有刷直流电机驱动控制器的设计方案，所设计的控制器额定电压20 V，功率100 W，具有软启动、欠压、过压、过流、电子刹车等功能，工作可靠稳定，安全性高。

[参考文献]

[1] 汤蕴璆.电机学[M].5版.北京：机械工业出版社，2022.

[2] 康华光.电子技术基础 模拟部分[M].6版.北京：高等教育出版社，2013.

[3] 王欣飞，谢龙汉，谢锋然.51单片机原理与程序设计[M].北京：清华大学出版社，2014.

[4] PRATA S.C Primer Plus中文版[M].5版.云巅工作室，译.北京：人民邮电出版社，2005.

收稿日期：2023-04-25

作者简介：郭佳（2004—），女，河南漯河人，研究方向：电气工程及自动化。