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使用C8051F3xx MCU控制各類電機的軟件
運行在300W以下的小功率電機被廣泛應(yīng)用于各類應(yīng)用，例如汽車系統(tǒng)、打印機、復(fù)印機、碎紙機、玩具、工廠自動化、測試設(shè)備、機器人技術(shù)、航空航天與軍工以及其他應(yīng)用。zui流行的小功率電機類型是DC電機、無刷DC電機和步進電機。電機的產(chǎn)量大致與功率大小成反比。量產(chǎn)的小功率電機數(shù)量遠遠高于大功率電機數(shù)量。
于電機控制的DSP設(shè)計旨在滿足大型離線式電機的需求。離線電機通常為AC感應(yīng)或無刷DC電機，運行在110-480VAC和1/4-100HP。于電機控制的DSP對于小功率電機控制系統(tǒng)來說成本太高。
本文展示了使用C8051F3xx MCU控制各類電機的軟件示例。雖然這些示例相對簡單，但是他們?yōu)楦黝愲姍C展示了有效的解決方案。一個傳統(tǒng)的電機控制系統(tǒng)通常要求額外特性并且具有更高的復(fù)雜度。這些軟件示例能夠作為開發(fā)更復(fù)雜電機驅(qū)動系統(tǒng)的起點。
DC電機控制
DC電機在小功率電機中是zui常見和*的。在本文中，術(shù)語“DC電機”特指有刷換向永磁DC電機。
DC電機的特性使得它成為變速系統(tǒng)中使用的zui簡單電機。DC電機的轉(zhuǎn)矩—速度特性如圖1所示。DC電機的非負(fù)載速度與電機電源電壓成線性關(guān)系。驅(qū)動穩(wěn)定扭矩負(fù)載、線性負(fù)載或指數(shù)負(fù)載的DC電機的電壓—速度特性也是連續(xù)的、正斜率的和可預(yù)測的。因此，在大多數(shù)情況下使用開環(huán)控制是可行的。
簡單地改變通過電機的電壓，任何人都能夠控制電機的速度。PWM能夠用于改變電機供電電壓。加載到電機的平均電壓與PWM占空比成正比例關(guān)系(這里忽略電機自感和不連續(xù)運行導(dǎo)致的次要影響)。
使用F3xx MCU提供簡單的DC電機速度控制的一個簡單的例子。在這個示例中使用ADC讀取電位器的位置信息，并且使用PCA 8位PWM模式輸出對應(yīng)的PWM信號。硬件配置如圖2所示。
單個N溝道功率MOSFET Q1用于驅(qū)動DC電機。功率MOSFET應(yīng)當(dāng)根據(jù)特定的電機電壓和電流需求進行選擇。單向?qū)ǖ亩O管D1跨連到DC電機。當(dāng)MOSFET關(guān)閉時，電流通過電機自感繼續(xù)流動。MOSFET漏極電壓將上升到超過電機電源電壓的一個二極管壓降。然后，電流通過單向?qū)ǘO管繼續(xù)流動。
大多數(shù)低壓電機驅(qū)動電路利用肖特基功率整流器實現(xiàn)單向?qū)ǘO管。肖特基整流器具有較低的正向電壓和極短的反向恢復(fù)時間。這兩者在電機驅(qū)動應(yīng)用中都是非常重要的參數(shù)因子。
功率MOSFET由反向門驅(qū)動器驅(qū)動。F300的端口引腳默認(rèn)配置為輸入引腳，并且使能弱的100k歐姆上拉電阻。在端口被配置而且交叉開關(guān)器和外設(shè)使能之前，端口引腳一直保持高電平。當(dāng)復(fù)位引腳保持低電平時，端口引腳也會被配置為弱上拉使能的輸入引腳。通過使用反向驅(qū)動器，功率晶體管在默認(rèn)狀態(tài)下處于關(guān)閉狀態(tài)。如果使用非反相器驅(qū)動，10k歐姆下拉電阻應(yīng)當(dāng)連接端口引腳和地之間。
為了使用3V微控制器，門驅(qū)動器應(yīng)當(dāng)具有3V兼容的輸入電平臨界值。如果電機電壓在5V和15V之間，門驅(qū)動器能夠直接切斷電機電源電壓。如果電機電壓超過15V，分開的門驅(qū)動器電源電壓是需要的，通常為5V或者12V。當(dāng)采用低于10V的門驅(qū)動器電源電壓時，應(yīng)當(dāng)使用邏輯電平功率MOSFET。
軟件實現(xiàn)非常簡單。main()函數(shù)初始化時鐘、端口和外設(shè)，然后進入while(1)循環(huán)。在while(1)中使用avgADC()函數(shù)讀取電位器電壓值，然后輸出這個值到8位PWM。
PORT_Init()函數(shù)配置端口I/O、外設(shè)、使能數(shù)字交叉開關(guān)器。在這里，為8位PWM使能輸出引腳，為門驅(qū)動器使能推挽式輸出引腳。
系統(tǒng)時鐘SYSCLK被配置運行在24.5MHzzui大速率，這允許8位PWM可配置為160ns時鐘周期和24kHz頻率。
ADC0_Init()函數(shù)配置ADC為查詢模式。ADC增益設(shè)定為1，并且為ADC時鐘選擇1MHz保守頻率。重要的是這里也要初始化電壓參考，配置ADC使用VDD滿量程。
函數(shù)readADC()采用查詢模式讀取電壓值一次，并返回ADC值。函數(shù)avgADC()調(diào)用readADC()函數(shù)，并且返回64個采樣值的平均值。平均化ADC讀數(shù)可以zui小化噪聲影響，減少PWM輸出抖動。
當(dāng)使用PCA 8位PWM模式時，在CEX0輸出0x00值對應(yīng)到100%的占空比，輸出0xFF值對應(yīng)到0.39%的占空比。0%的占空比可以通過清除PCA0CPM0 SFR中的ECOM0位來實現(xiàn)。
當(dāng)使用反相驅(qū)動器時，這種關(guān)系是相反的。在MOSFET門驅(qū)動器上，0x00值對應(yīng)到0%的占空比，0xFF值對應(yīng)到99.6%的占空比。為了簡單起見，本文中所有使用8位PWM的軟件示例都于使用99.6%PWM。
還有一些情況，100%的占空比是可取的。100%占空比將有效地消除開關(guān)損耗。由于MOSFET從不會關(guān)閉，因此在MOSFET上沒有開關(guān)損耗，在二極管上也沒有損失。*的功率損耗是功率MOSFET中的傳導(dǎo)損耗。如果電機預(yù)計在大部分時間里都處于全速運行，那么100%的zui大占空比是合理的。100%的占空比可以通過清除PCA0CPM0 SFR中的ECOM0位來實現(xiàn)。
帶反轉(zhuǎn)能力的DC電機
永磁DC電動機通常被用于需要反轉(zhuǎn)電機方向的應(yīng)用中。為了反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向，需要反轉(zhuǎn)電機上電壓的極性。這需要使用H橋。如圖3所示，H橋有4個晶體管。當(dāng)在正方向驅(qū)動電機時，Q4打開，PWM信號應(yīng)用于晶體管Q1。在反方向上驅(qū)動電機，Q3打開，PWM信號應(yīng)用于晶體管Q2。在這個示例中，下部的晶體管被用于PWM速度控制，上部的晶體管被用于轉(zhuǎn)向。使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以在兩個方向上提供變速控制。