摘要：在設(shè)計(jì)中使用MSP430F169單片機(jī)提供控制電機(jī)需要的PWM信號(hào)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MSK4226實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行;驅(qū)動(dòng)芯片上的電流測(cè)量環(huán)節(jié)保證電機(jī)運(yùn)動(dòng)中不發(fā)生堵轉(zhuǎn);最后比較了電機(jī)直接啟動(dòng)與四象限控制中的響應(yīng)速度與達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。

0 引言

本文主要介紹了一種直流電機(jī)的四象限控制器?？刂破饕詥纹瑱C(jī)MSP430F169作為控制核心，利用單片機(jī)的PWM功能，可發(fā)生多通道占空比可調(diào)的PWM信號(hào);PWM信號(hào)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MSK4226將電機(jī)兩端的電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向;單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)芯片上的電機(jī)電流，發(fā)生過流時(shí)采取保護(hù);在文章的最后比較了電機(jī)四象限控制與單像控制，總結(jié)出了四象限控制的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 控制原理及方法

1.1 PWM控制原理

直流電動(dòng)具有慣性環(huán)節(jié)，直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)于一個(gè)電阻和電感串聯(lián)而成，而沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積，效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。

PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形(含形狀和幅值)。

PWM調(diào)速是利用PWM調(diào)制的方法，將恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，根據(jù)沖量相同的原則來改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.2 四象限控制

電機(jī)的單象限控制只能運(yùn)行在電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，能量只能單向流動(dòng)。而電機(jī)的四象限控制電機(jī)能運(yùn)行在電動(dòng)與發(fā)電狀態(tài)下，能量可雙向流動(dòng)。電機(jī)的四象限運(yùn)動(dòng)分別為正向電動(dòng)、回饋發(fā)電制動(dòng)、反接制動(dòng)、反向電動(dòng)狀態(tài)。如圖1所示，以電機(jī)的轉(zhuǎn)速為縱坐標(biāo)，以轉(zhuǎn)矩為橫坐標(biāo)建立的直角坐標(biāo)系描述的電機(jī)四種運(yùn)行狀態(tài)。

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)在四象限內(nèi)運(yùn)行和切換，采用了雙極式PWM變換器。雙極式PWM變換器調(diào)節(jié)占空比來控制能量的流動(dòng)大小與方向，占空比> 50%，<50%或等于50%分別實(shí)現(xiàn)I象限、II象限、III和Ⅳ象限電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

2 控制系統(tǒng)

硬件控制系統(tǒng)主要包括核心控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及電機(jī)過流保護(hù)模塊。

2.1 PWM信號(hào)的發(fā)生

控制系統(tǒng)中，核心控制器采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F169單片機(jī)，該單片機(jī)具有兩個(gè)16位定時(shí)器A和B，利用定時(shí)器的捕獲、比較功能實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)發(fā)生。

本文中需要兩路頻率在1～2kHZ之間、占空比可調(diào)的PWM信號(hào)。首先選擇定時(shí)器A的時(shí)鐘為輔助時(shí)鐘并清除定時(shí)器，輔助時(shí)鐘頻率為32.76 8kHz;在定時(shí)器的捕獲\比較寄存器0中調(diào)整PWM信號(hào)的周期;在獲\比較寄存器1與2的值可分別調(diào)整兩路PWM信號(hào)的占空比;工作模式設(shè)置為PWM復(fù)位\置位模式;計(jì)數(shù)器為增計(jì)數(shù)模式;設(shè)置端口P1.2、P1.3為PWM輸出端口。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)中PWM信號(hào)的功率放大主要通過功率模塊MSK4226實(shí)現(xiàn)。MSK4226內(nèi)部集成了功率場(chǎng)效應(yīng)管H橋，H橋自舉驅(qū)動(dòng)與控制電路。H橋場(chǎng)效應(yīng)管具有低的導(dǎo)通電阻(典型值0.013 Ω)，最大75V的電源母線電壓，20A連續(xù)電流，可滿足系統(tǒng)功率要求。H橋自舉驅(qū)動(dòng)與控制電路包括H橋高低端場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生、直通保護(hù)及H橋關(guān)斷等電路。

2.3 控制電路

在本系統(tǒng)的雙極性PWM模式下，V1、V4開關(guān)管控制端AHI與BLI并聯(lián)，V2、V2開關(guān)管控制端ALI和BHI并聯(lián);MSP430F169單片機(jī)的端口P1.2 P1.3產(chǎn)生的兩路PWM信號(hào)控制這兩個(gè)并聯(lián)端。來自單片機(jī)的關(guān)斷信號(hào)接入驅(qū)動(dòng)芯片的關(guān)斷使能端DIS。功率肖特基二極管D1～D4分別反向并接在V1～V4上，當(dāng)負(fù)載向電源反饋能量時(shí)起保護(hù)功率管的作用，其反向耐電壓應(yīng)大于電源電壓，反向恢復(fù)時(shí)間10ns左右。電阻R1與電容C1構(gòu)成緩沖網(wǎng)絡(luò)，用于抑制尖峰電壓。對(duì)于某些感性負(fù)載，可能導(dǎo)致MSK4226近似100ns數(shù)安培的直通現(xiàn)象。反向并接RSENSEA與地之間，RSENSEB與地之間的功率肖特基二極管用于抑制這種現(xiàn)象。

2.4 過流保護(hù)模塊

如圖2所示，在MSK4226的RSENSEA與RSENSEB引腳對(duì)地接0.01 Ω無感電阻，電機(jī)電流流過電阻，在電阻兩端電流取樣。取樣的電壓值經(jīng)過運(yùn)算放大器放大后，AD采樣后傳輸給單片機(jī)作為判斷電機(jī)是否堵轉(zhuǎn)的依據(jù)。

3 電機(jī)四象限控制

3.1 第I象限工作-正轉(zhuǎn)電動(dòng)運(yùn)行控制

在AHI與BLI、ALI和BHI并聯(lián)的控制端輸入3.3～5V、開關(guān)頻率小于200kHz的邏輯電平信號(hào)，兩路信號(hào)的頻率相同，相位相反。

當(dāng)AHI與BLI端口輸入信號(hào)的占空比<50%，而ALI和BHI端口信號(hào)的占空比>50%時(shí)，MSK4226模塊的OUTA端口的電壓大于OUTB端口，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)。AHI與BLI端口信號(hào)占空比為零，ALI和BHI端口信號(hào)占空比為100%時(shí)達(dá)到正向轉(zhuǎn)動(dòng)最大速度。如圖為AHI與BLI端信號(hào)占空比30%，AHI與BLI端信號(hào)占空比70%的控制波形圖3。

3.2 第II、IV象限工作-電機(jī)制動(dòng)控制

當(dāng)AHI與BLI、ALI和BHI端口輸入信號(hào)的占空比都為50%時(shí)，OUTA和OUTB端口輸出電壓占空比為50%，電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。制動(dòng)狀態(tài)不等于停機(jī)，此時(shí)電樞兩端的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流都不為零，而是交變的。控制電機(jī)停機(jī)可使能驅(qū)動(dòng)模塊的DIS引腳。

3.3 第III象限工作-正轉(zhuǎn)電動(dòng)運(yùn)行控制

AHI與BLI端口輸入信號(hào)的占空比>50%，而ALI和BHI端口信號(hào)的占空比<50%時(shí)，MSK4226模塊的OUTB端口的電壓大于OUTA端口，電機(jī)負(fù)向轉(zhuǎn)動(dòng)。AHI與BLI端口信號(hào)占空比為100%，ALI和BHI端口信號(hào)占空比為零時(shí)達(dá)到負(fù)向轉(zhuǎn)動(dòng)最大速度。

4 結(jié)束語

文章中利用MSK4226模塊達(dá)到直流電機(jī)四象限運(yùn)動(dòng)控制。在電機(jī)的四象限控制中電機(jī)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)處于高頻振動(dòng)，起著“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用，消除正反向啟動(dòng)時(shí)的靜摩擦死區(qū)，所以電機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行過程中電流比較連續(xù)、啟動(dòng)時(shí)間短、響應(yīng)速度快。