基于PIC單片機的直流電機控制器研究

韓 軍，周鏡平

HAN Jun，ZHOU Jing-ping

（江西旅游商貿職業學院，南昌 330100）

0 引言

隨著微電子技術的發展，微機功能以及電力電子、計算機控制技術也在快速的提高，電氣傳動領域出現了以微機為核心的數字控制系統。計算機的發展可以使復雜的控制系統變得更為方便，以計算機為核心的數字控制技術成為自控領域的主流，也為設計出性能更高的直流控制系統提供了基礎。本文對基于PIC單片機的直流電機 PWM 調速系統進行了較深入的研究，從直流調速系統原理出發，逐步建立了單閉環直流 PWM調速系統。

1 設計總體思路

本設計采用大功率半導體器件的直流電動機脈寬調速方法，其方法就是相當于直流電電壓降低，功率及轉速降低。脈寬調制（PWM）是調整脈沖的寬度而不是頻率。“脈沖寬了”指的是高電平時間長了，低電平時間短了，是通過改變電機電樞電壓接通時間和通電周期的比值（即占空比）來控制電機速度，這種方法稱為脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation）簡稱PWM。即供電電壓是寬度可調的脈沖電壓，當脈沖最寬時，相當于直流電，功率最大，轉速最高。脈沖寬度減脈沖頻率并沒有變。脈寬調制并不是直接調整電機的速度，而是改變電機的功率或扭矩。扭矩大了，換向加快，轉速就提高了。

調速原理是通過控制脈沖占空比來改變電機的電樞電壓。改變占空比的方法可選用定頻調寬法，這種方法是使周期（即頻率）不變，而同時改變通電時間。在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加。電機斷電時，轉速逐漸減小。只有按一定規律，改變通電時間，即可實現對轉速的控制。

2 設計思路的優越性

自從全控型電力電子器件問世以后，就出現了采用脈沖寬度調制的高頻開關控制方式，形成了脈寬調制變換器—直流電機調速系統，PWM的H型屬于調壓調速，PWM的H橋能實現大功率調速；國內的超大功率調速還要依靠可控硅實現可控整流來實現直流電機的調壓調速。本設計采用直流極式控制的橋式PWM變換器。與V-M系統相比在很多方面有較大的優越性：

1）主電路線路簡單，需用的功率器件少。

2）開關頻率高，電流容易連續，諧波少，電極損耗及發熱都較小。

3）低速性能好，穩態精度高，調速范圍寬，可達1：20000左右。

4）若是與快速響應的電機配合，則系統頻帶寬，動態響應快，動態抗干擾能力強。

5）功率開關器件工作在開關狀態，通道損耗小，當開關頻率適中時，開關損耗也不大，因而裝置效率高。

6）直流電機采用不控整流時，電網功率因素比相控整流器高。

由于由以上優點直流PWM系統應用日益廣泛，特別在中、小容量的高動態性能中。已完全取代了V--M系統。為達到更好的機械特性要求，一般直流電動機都是在閉環控制下運行。經常采用的閉環系統有轉速負反饋和電流截至負反饋。

3 系統的總體設計

系統總體方案設計如圖1所示。

圖1 直流電機多速控制器系統結構圖

系統以PIC單片機為控制核心，通過鍵盤設置各段運行參數，也可通過電腦設置下載到單片機。單片機輸出二進制控制量，經D/A轉換電路將對應模擬電壓送到直流伺服放大器的設定值輸入端。放大器根據輸入的模擬電壓而輸出對應的電壓來控制直流電機的轉速。直流電機同軸的光電編碼器E輸出A、B兩路方波信號送到整形電路，通過整形電路送到單片機用于測量轉速。不斷比較設定值和實際值，根據比較獲得的誤差調節放大器的輸出電壓。顯示部分顯示各段設定的時間值、轉速值和測量的轉速值；單片機主要完成參數設置、轉速測量、參數顯示和控制輸出等功能。

4 單片機的選擇及特點

當今世界上涌現出各種各樣的單片機，目前應用較廣的主要有美國Intel公司開發和生產的MCS-51，MCS-96系列、臺灣ICSI公司的8051系列、美國Motorola公司的MC68系列和美國Microchip公司的PIC系列等，其中各個系列的單片機都有其各自的優點，與其它系列相比，美國Microchip公司近幾年推出的系列PIC單片機，它的最大優點表現在引腳少、功能強、可直接帶LED負載：具有低耗能工作方式，較簡便地實現掉電保護；外圍配置簡單、明晰、提高了整機的可靠性；并且具有較強的抗干擾性，大大提高了抵御外界的電磁干擾和本機控制電路的電磁干擾的能力，從而提高了工業電腦自動控制器的適應能力。所以本設計選用PIC18F458單片機，其特性如下：

1）CPU的性能特點

它有16位指令，8位寬數據通道，高達2MB的程序存儲器，4kB的數據存儲器，高達10MIPS的執行速度。DC-40MHz時鐘輸入，4-10MHz帶 PLL鎖相環有源晶振/時鐘輸入；帶優先級的中斷和8x8單周期硬件乘法器。

2）外圍功能模塊特性

捕捉/比較/脈寬調制（PWM）（CCP）模塊；CCP引腳配置如下：捕捉輸入：16位，最大分辨率為6.25ns；比較單元：16位，最大分辨率為100ns；脈寬調制（PWM）輸出：分辨率為1-10位；最高PWM頻率：88位分辨率時為156kHz，10位分辨率時為39kHz。增強型CCP模塊具有標準型CCP模塊的所有特性，但它在先進的電機控制時還有如下特性：1，2，4路的PWM輸出；可選擇PWM的極性；可編程的PWM死區時間。

3）運行速度高

PIC18F458由于采用了哈佛總線結構，以及指令的讀取和執行采用了流水作業方式，使得PIC18F458單片機運行速度大大提高，遠遠高于其它相同檔次的單片機。

4）功耗低

PIC18F458單片機的功率消耗極低，是目前世界上低的單片機之一。在8MHz時鐘下工作時耗電不超過mA，在睡眠模式下耗電可以低到1mA以下。

5）驅動能力強

I/0端口驅動負載的能力較強，每個I/O引腳吸人和輸出電流的最大值可分別達到2mA和20mA，能夠直接驅動發光二極管LED、光電禍合器或者微型繼電器等。

6）獨特的C語言開發環境

對于PIC18F458單片機，Microchip公司提供了“C語言編譯程序”，這樣用C語言這樣高級語言來進行程序設計，可大大的提高了工作效率。與一般的C語言版本如Turbo C相比，作為單片機的開發語言，PICC增加了針對PIC單片機硬件本身的操作，如端口、引腳的輸入輸出、寄存器的位操作等。

7）產品系列齊全、擁有高性能的高端產品

另外，必須說明的是，PIC系列單片機品種齊全、根據其指令的位數可分為初級產品、中級產品和高級產品，在以后的開發過程中，可根據具體需要選擇單片機的型號。其高級產品一16位指令字系列的PIC17CXXX和PIC18CXXX。16位指令字系列是8位單片機中運行速度最快的，它具備一個指令周期內完成8位二進制乘法的能力，可以在一些需要高速運算的應用場合取代DSP數字信號處理器。再加上PIC17CXXX還具有豐富的I/0控制功能，并可以外接擴展EPROM和RAM，使它成為目前8位單片機中性能最高的品種之一，可被廣泛的應用于高中檔的電子設備中。而PIC18CXXX系列是一款高性能、全靜態設計、內帶A/D轉換器的CMOS16位單片機，可應用于各種復雜和高性能的電子及工業控制。

正因為如此本設計選用PIC18F458單片機，為以后產品升級及個人能力的進一步提高都將帶來便利。

5 硬件電路設計

本系統在設計硬件電路時主要從以下原則出發：

1）硬件電路設計與軟件設計相結合優化硬件電路。一些由硬件實現的功能可用軟件來實現，反過來一些由軟件實現的功能也可用硬件來完成。用軟件來實現硬件的功能時，其響應時間比用硬件實現長，還要占用CPU時間。但是用軟件實現硬件的功能可以簡化硬件結構，提高硬件電路的可靠性，還可降低成本。因此在本系統的設計過程中，在滿足可行性和實時性的前提下盡可能地將硬件功能用軟件來實現。

2）可靠性及抗干擾設計。根據可靠性設計理論，系統所用芯片數量越少，系統的平均無故障時間越長，而且所用芯片數量越少，地址、數據總線在電路板上受干擾的可能性就越少，因此單片機基本系統的設計思想是在滿足功能的情況下力爭使用較少數量的芯片。

3）靈活的功能擴展。一次設計往往不能完全考慮到系統的各個方面，系統需要不斷完善，需要進行功能升級。功能擴展時系統應該在原有設計不需要很大改變的情況下，修改軟件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能擴展是否靈活是衡量一個系統優劣的重要指標。根據系統要求及上面幾個硬件設計原則，系統以單片機PIC18F458為中央處理單元，由鍵盤輸入電路，LCD顯示，放大器連接電路等組成。

6 軟件設計

一個較為簡單的硬件電路系統功能的主要實現是依靠軟件的設計來完成的。本系統的軟件采用模塊化設計，將系統分為若干個模塊，分別實現各項功能，這樣在系統軟件的調試過程中，各個模塊的獨立調試有助于問題的發現和解決，在一定程度上節約了程序的調試時間。

該系統的整個軟件設計全部采用模塊化程序設計思想，由系統初始化模塊、案件識別模塊、LCD模塊、高優先級和低優先級中斷服務程序四大模塊組成。其中，系統初始化模塊、按鍵識別和LCD顯示模塊在主程序完成，而中斷服務完成TMR0定時溢出中斷、TMR1外部計數溢出中斷、TMR3的1 計數溢出中斷以及INT0外脈沖上邊沿捕獲中斷等。系統軟件的主程序如下圖所示：

圖2 主程序框圖

7 結論

利用PIC系列芯片進行低成本直流電動機控制系統的設計，可以簡化系統構成、降低系統成本、增強系統性能、滿足更多應用場合的需要。并對研究制造高性能、高可靠性的直流電機控制系統有著十分重要的現實意義。

[1]劉和平，等.PIC18Fxxx單片機原理及接口程序設計 [M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[2]陳伯時.電力傳動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]黃俊.電力電子技術.北京：機械工業出版社，1997.