高级电机控制中的软件设计原则

《高级电机控制中的软件设计原则》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、高级电机控制中的软件设计原则运行在300W以下的小功率电机被广泛应用于各类应用，例如汽车系统、打印机、复印机、碎纸机、玩具、工厂自动化、测试设备、机器人技术、航空航天与军工以及其他应用。最流行的小功率电机类型是DC电机、无刷DC电机和步进电机。电机的产量大致与功率大小成反比。量产的小功率电机数量远远高于大功率电机数量。专用于电机控制的DSP设计旨在满足大型离线式电机的需求。离线电机通常为AC感应或无刷DC电机，运行在110-480VAC和1/4-100HP。专用于电机控制的DSP对于小功率电机控制系统来说成本太高。本文展示了使用C8051F3xxMCU

2、控制各类电机的软件示例。虽然这些示例相对简单，但是他们为各类电机展示了有效的解决方案。一个传统的电机控制系统通常要求额外特性并且具有更高的复杂度。这些软件示例能够作为开发更复杂电机驱动系统的起点。DC电机控制DC电机在小功率电机中是最常见和最便宜的。在本文中，术语“DC电机”特指有刷换向永磁DC电机。DC电机的特性使得它成为变速系统中使用的最简单电机。DC电机的转矩—速度特性如图1所示。DC电机的非负载速度与电机电源电压成线性关系。驱动稳定扭矩负载、线性负载或指数负载的DC电机的电压—速度特性也是连续的、正斜率的和可预测的。因此，在大多数情况下使用开环

3、控制是可行的。图1-DC电机特性简单地改变通过电机的电压，任何人都能够控制电机的速度。PWM能够用于改变电机供电电压。加载到电机的平均电压与PWM占空比成正比例关系(这里忽略电机自感和不连续运行导致的次要影响)。使用F3xxMCU提供简单的DC电机速度控制的一个简单的例子。在这个示例中使用ADC读取电位器的位置信息，并且使用PCA8位PWM模式输出对应的PWM信号。硬件配置如图2所示。图2-DC电机驱动电路单个N沟道功率MOSFETQ1用于驱动DC电机。功率MOSFET应当根据特定的电机电压和电流需求进行选择。单向导通的二极管D1跨连到DC电机。当MO

4、SFET关闭时，电流通过电机自感继续流动。MOSFET漏极电压将上升到超过电机电源电压的一个二极管压降。然后，电流通过单向导通二极管继续流动。大多数低压电机驱动电路利用肖特基功率整流器实现单向导通二极管。肖特基整流器具有较低的正向电压和极短的反向恢复时间。这两者在电机驱动应用中都是非常重要的参数因子。功率MOSFET由反向门驱动器驱动。F300的端口引脚默认配置为输入引脚，并且使能弱的100k欧姆上拉电阻。在端口被配置而且交叉开关器和外设使能之前，端口引脚一直保持高电平。当复位引脚保持低电平时，端口引脚也会被配置为弱上拉使能的输入引脚。通过使用反向驱动

5、器，功率晶体管在默认状态下处于关闭状态。如果使用非反相器驱动，10k欧姆下拉电阻应当连接端口引脚和地之间。为了使用3V微控制器，门驱动器应当具有3V兼容的输入电平临界值。如果电机电压在5V和15V之间，门驱动器能够直接切断电机电源电压。如果电机电压超过15V，分开的门驱动器电源电压是需要的，通常为5V或者12V。当采用低于10V的门驱动器电源电压时，应当使用逻辑电平功率MOSFET。软件实现非常简单。main()函数初始化时钟、端口和外设，然后进入while(1)循环。在while(1)中使用avgADC()函数读取电位器电压值，然后输出这个值到8位P

6、WM。PORT_Init()函数配置端口I/O、外设、使能数字交叉开关器。在这里，为8位PWM使能输出引脚，为门驱动器使能推挽式输出引脚。系统时钟SYSCLK被配置运行在24.5MHz最大速率，这允许8位PWM可配置为160ns时钟周期和24kHz频率。ADC0_Init()函数配置ADC为查询模式。ADC增益设定为1，并且为ADC时钟选择1MHz保守频率。重要的是这里也要初始化电压参考，配置ADC使用VDD满量程。函数readADC()采用查询模式读取电压值一次，并返回ADC值。函数avgADC()调用readADC()函数，并且返回64个采样值的平

7、均值。平均化ADC读数可以最小化噪声影响，减少PWM输出抖动。当使用PCA8位PWM模式时，在CEX0输出0x00值对应到100%的占空比，输出0xFF值对应到0.39%的占空比。0%的占空比可以通过清除PCA0CPM0SFR中的ECOM0位来实现。当使用反相驱动器时，这种关系是相反的。在MOSFET门驱动器上，0x00值对应到0%的占空比，0xFF值对应到99.6%的占空比。为了简单起见，本文中所有使用8位PWM的软件示例都仅限于使用99.6%PWM。还有一些情况，100%的占空比是可取的。100%占空比将有效地消除开关损耗。由于MOSFET从不会关

8、闭，因此在MOSFET上没有开关损耗，在二极管上也没有损失。唯一的功率损耗是功率MOSFET中