直流電機(jī)以其具有良好的調(diào)速性能、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。近年來，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化，隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以及新型電力電子功率元件的不斷出現(xiàn)，PWM(pulsewidthmodulaon)調(diào)速已成為直流電機(jī)調(diào)速的新方式，并憑借開關(guān)頻率高、低速運(yùn)行穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點(diǎn)在直流電機(jī)調(diào)速中被普遍運(yùn)用。因此本文提出了基于基于80C196KC和L298N的直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1.PWM調(diào)速系統(tǒng)原理
PWM即脈沖寬度調(diào)制是指利用大功率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開時(shí)間的長短，通過改變直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此又常被稱為開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置，PWM控制的示意圖如圖1所示。
圖1 PWM控制示意圖
改變占空比通常有PWM和PFM(pulsefrequencymodulaion)兩種方式。PWM是通過改變導(dǎo)通脈沖寬度，即通常所說的定頻調(diào)寬方式。PFM是導(dǎo)通脈沖寬度恒定通過改變開關(guān)頻率來改變占空比，由于當(dāng)遇到某個(gè)特殊頻率下的機(jī)械諧振時(shí)，常導(dǎo)致系統(tǒng)的震動(dòng)和嘯叫聲，因此在直流電機(jī)的控制中以PWM控制方式為主。
2.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
基于80C196KC和L298N的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、R/D變換器、PWM功放電路、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路、接收指令接口電路等組成。單片機(jī)最小系統(tǒng)采用16位單片機(jī)80C196KC外擴(kuò)接口電路，主要用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、PWM信號產(chǎn)生等功能，調(diào)速系統(tǒng)組成原理框圖見2。
圖2 PWM調(diào)速系統(tǒng)組成框圖
2.1功率集成電路L298N簡介
為提高系統(tǒng)效率，降低功耗，功放驅(qū)動(dòng)電路采用基于雙極型H橋型脈寬調(diào)制方式的集成電路L298N。L298N是由SGS公司生產(chǎn)的高性能脈寬調(diào)制功率放大器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。內(nèi)部包含兩個(gè)H橋高電壓大電流橋式驅(qū)動(dòng)器，單片即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)，可驅(qū)動(dòng)46V，2A以下的電機(jī)。L298N的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 L298N內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
2.2直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路
L298N可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，因該調(diào)速系統(tǒng)為單軸結(jié)構(gòu)，為充分利用該功放電路的帶負(fù)載能力，以使系統(tǒng)以最大加速度啟動(dòng)，并以最大加速度制動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)分別將輸入和輸出兩兩并聯(lián)使用控制直流電機(jī)。如圖4所示，輸入端IN1、IN3并聯(lián)，IN2、IN4并聯(lián)，輸出端OUT1、OUT3并聯(lián)，OUT2、OUT4并聯(lián)分別接至電機(jī)兩端，使能端由單片機(jī)高速輸出口HSO1控制。
單片機(jī)80C196KC根據(jù)位置環(huán)和速度環(huán)運(yùn)算結(jié)果給出PWM信號，PWM信號一路直接輸出至IN1(IN3)端，一路經(jīng)過7406取反輸出至IN2(IN4)，當(dāng)PWM模擬信號占空比為50%時(shí)，電機(jī)兩端正反向電壓所加時(shí)間相同，電機(jī)在此位置處于微顫狀態(tài)，即處于“動(dòng)力潤滑”狀態(tài)，當(dāng)占空比大于50%時(shí)，信號電壓OUTA大于OUTB，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn)。因此必須理順各環(huán)節(jié)的輸出極性，才能形成負(fù)反饋，完成閉環(huán)控制。依靠改變PWM占空比控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)也可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，控制方法簡單可靠。此外，因?yàn)殡姍C(jī)是電圈式的，在電機(jī)出現(xiàn)急停和突然換向時(shí)會(huì)形成反向電動(dòng)勢，為保證L298N驅(qū)動(dòng)芯片的正常工作，在輸出端OUTA、OUTB與直流電機(jī)之間加入兩對續(xù)流二極管將電流分流到電源正極或地端，以免反向電動(dòng)勢對L298N產(chǎn)生損害。
2.3抗干擾及電磁兼容性設(shè)計(jì)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，功率主開關(guān)元件的快速通斷導(dǎo)致功率電流和電壓變化率較大，不僅影響驅(qū)動(dòng)電路而且還會(huì)通過電源、地進(jìn)入控制電路。此外，電機(jī)啟動(dòng)制動(dòng)時(shí)在負(fù)載突變處產(chǎn)生瞬變電壓，其振幅也會(huì)高于電源電壓，而且前沿陡峭、頻帶很寬，經(jīng)由直流電源進(jìn)入控制電路。因此，抗干擾及電磁兼容設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。系統(tǒng)采取了電流平波、去毛刺、屏蔽等措施。
電流平波：由于PWM開關(guān)瞬間能量比較大，因此在PWM功放輸出端采用RC濾波器來濾波，通過選擇合適的電阻和電容值，有效地抑制了高頻諧波，吸收了PWM功放尖峰電壓，減小了干擾;
去毛刺：系統(tǒng)在電源端加大濾波電容，一大一小兩個(gè)電容并聯(lián)使用，大電容肩負(fù)低頻交變信號的去耦、濾波、平滑作用，小電容消除電路網(wǎng)絡(luò)中的中、高頻寄生耦合，有效減小了尖峰毛刺;
屏蔽：電機(jī)驅(qū)動(dòng)線纜采取雙屏蔽電纜，走線盡可能與其他線纜分開。
圖4 驅(qū)動(dòng)硬件電路圖
3.控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
控制系統(tǒng)采用速度-位置閉環(huán)的組合方式，以位置控制方式為例介紹軟件的實(shí)現(xiàn)方法，位置控制在經(jīng)典PI控制算法的基礎(chǔ)上，對比例和積分參數(shù)進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)，并引入了分段PI控制，即把計(jì)算出的誤差進(jìn)行分段，在每一段誤差范圍內(nèi)依靠不同的比例和積分參數(shù)參與調(diào)節(jié)。保證了系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平滑穩(wěn)定，PI公式推倒及簡化過程如下：
具體軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖5所示，即接收到給定角度指令后，首先計(jì)算采樣到的位置信息與給定角度差值，然后把差值進(jìn)行n等分，在每一段對應(yīng)一組參數(shù)kp1和ki1參與調(diào)解控制，計(jì)算出PI控制的輸出量然后轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的PWM數(shù)值輸出。
圖5 軟件流程圖
結(jié)束語
本文總計(jì)了基于80C196KC與L298N的直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，由單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號給功率集成電路L298N，采用經(jīng)典的PI分段控制實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，其具有電路簡單，控制方便等特點(diǎn)。運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足調(diào)速功能要求，已成功應(yīng)用在多個(gè)機(jī)載產(chǎn)品中。
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