直流有刷電機驅動控制器設計

摘 要：采用MS51FB9AE單片機設計了一款低成本、高可靠性、高安全性的直流有刷電機驅動控制器。該控制器工作電壓20 V，功率100 W，由功率管構建斬波回路和安全回路，利用單片機內置的PWM模塊實現調速和保護功能，防止運行事故。該控制器能夠提供可靠的斷路保護，其數模轉換模塊負責采集溫度、電壓、電流信號，提供系統各種保護功能，串口模塊實現與上位機通信；控制器充分利用GPIO復用功能，并結合查理復用原理實現有限IO多路復用。

關鍵詞：直流有刷電機；控制器；驅動；硬件設計；軟件設計

中圖分類號：TP23? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）16-0058-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.015

0? ? 引言

直流有刷電機因其結構簡單，啟動效率高，具備很強的負載能力以及適應不同轉速條件下的負載突變等特點，被廣泛應用于低成本的應用場合，例如割草機、吸塵器、玩具等[1-2]。直流有刷電機的運行性能依賴于驅動器，如驅動電壓不穩定，可能導致直流有刷電機調速性能下降以及使用壽命縮短等問題[3-4]。因此，提升直流有刷電機驅動電路可靠性與安全性，對于保證其應用優勢具有十分重要的意義。

本文設計了一款低成本、高安全性、高可靠性的直流有刷電機驅動控制器。該控制器采用NUVOTON公司生產的MS51FB9AE芯片為主控單元，組合了DC/DC電源、信號采樣、功率驅動、通信和外圍等電路，能夠以較低的應用成本實現直流有刷電機的高性能運行控制。

1? ? 直流有刷電機驅動控制器硬件設計

1.1? ? 硬件電路總體設計方案

直流有刷電機驅動控制器的總體設計方案如圖1所示，該方案使用MS51FB9AE作為主控芯片，實現直流有刷電機的驅動、調速、保護以及相關交互功能。微控制器PWM模塊產生多路PWM信號，結合驅動電路控制MOS管T5斬波，調節加給串聯繞組的電壓，實現電機調速功能，T4管用來實現電子剎車功能，T7管用來安全防護。同時，利用ADC模塊對驅動系統中的直流電壓、電機電流以及溫度等信號進行采集，并將數據提供給微控制器實現軟件保護、邏輯功能。使用串口模塊與上位機進行通信，實現運行程序的監督或在線升級功能。此外，控制器還充分利用MS51FB9AE的引腳資源，通過復用形式最大限度實現如LED指示燈等外圍設備的驅動。

1.2? ? MS51FB9AE外圍電路

圖2給出了單片機主控電路，本控制器選用NUVOTON公司生產的MS51FB9AE搭建主控電路，該芯片是一款增強型8位8051內核的微控制器，有20腳，工作頻率最高可達24 MHz，芯片內部集成了豐富的外設資源，除去2個電源引腳，還具備18腳可復用的通用GPIO。MS51FB9AE具備定時器、6路PWM輸出通道以及8路12位ADC采樣通道，支持UART、SPI、IIC等通信協議，性價比高，功能豐富，能夠充分滿足直流有刷電機控制的資源需求。本控制器針對主控芯片有限的GPIO資源，在使用時結合引腳復用以及查理復用原理，對基本輸入/輸出外圍設備進行拓展，以提高單片機的應用靈活性。

1.3? ? 電源電路

圖3所示為控制器的電源電路，整個控制器由外部電池提供電源，電壓20 V，通過電阻分壓，提供約12 V輸入到線性穩壓器（LDO）MD85E50芯片中，LDO產生5 V電壓輸出提供給主控芯片MS51FB9AE。為了保障電源電路的可靠性和安全性，當通電開關關閉后，主控芯片可以通過Self On信號來關閉電源回路，軟件控制實現自關閉功能。

1.4? ? 驅動電路

圖4展示了驅動電路，在本設計中，驅動電路主要由3個MOS管構成，MOS管型號為SVG042R5NL5，能夠承受的漏源電壓為40 V，最大可通過漏極電流為108 A。其中，T4 MOS管構成制動電流通路，當電機在高速運行狀態下突然制動時，由于反電動勢的存在，電機兩端可能會產生較大的泵升電壓，此時可以通過HO信號開通T4，分擔制動電流以防止損壞驅動電路。T5為主驅動MOS管，用于控制直流有刷電機運行，根據伏秒平衡原理，當電機運行時，主控芯片通過調整LO輸入的PWM驅動信號占空比來控制加載在直流有刷電機上的電壓大小，從而達到精準調速的效果。T7作為T5的下級保護電路存在，用于保護電機和驅動電路的安全。當電機正常運行時，通過Safe_DR信號開通T7，構成正常的驅動回路來控制電機運行。當T5 MOS管因為運行出錯而出現短路故障時，主控芯片可以通過關閉T7來斷開驅動回路，從而停止電機，保障設備安全。

1.5? ? 采樣電路

電流采樣電路結構如圖5所示，采用LMV358運算放大器進行信號調理，通過設置合適的放大系數，獲取直流電流大小。在本控制器中，分別對直流母線電壓、母線電流、電機溫度、驅動板溫度等信號進行了采樣，并輸入MS51FB9AE的ADC通道進行處理，同時在軟件內部設置了相應的軟件保護。

1.6? ? 串口通信電路

為了能夠對控制器運行程序進行監控與更新，設計了串口通信電路，如圖6所示。在串口通信電路中，通過光耦隔離電路對RX和TX信號進行隔離，從而減小系統運行時電磁干擾對串口通信的影響，提升控制器的通信穩定性。

2? ? 直流有刷電機驅動控制器軟件設計

圖7展示了本控制器的軟件流程圖，MS51FB9AE芯片具備兩個獨立的存儲區APROM和LDROM，便于利用串口通信實現在線系統編程。當控制器上電之后，程序開始判定是否需要更新當前程序，如果需要更新，則執行Bootloader引導程序完成更新，否則控制器將進入有限狀態機循環。有限狀態機將每2 ms執行一次，并根據按鍵指令切換狀態。每次執行完子狀態任務函數后，將執行軟件保護任務，對相關采樣值進行判斷，如果不在有效范圍內，則系統會發出報警并退出等待用戶手動復位。

3? ? 實驗結果

圖8是電機啟動加速、全速運行、溜車減速、短接制動全過程的相關波形，從上到下依次是電機電流、電機負端對地電壓及電機繞組電壓。根據波形可知，軟啟動過程約耗時800 ms，而后20 V直流電壓全部加載到電機繞組上，穩態電流約3 A，2.5 s后收到停機指令，電機滑動溜車減速1 s，再將并聯在電機繞組旁的T4開通，實現短接制動，電機迅速剎停。

4? ? 結束語

本文介紹了一款有刷直流電機驅動控制器的設計方案，所設計的控制器額定電壓20 V，功率100 W，具有軟啟動、欠壓、過壓、過流、電子剎車等功能，工作可靠穩定，安全性高。

[參考文獻]

[1] 湯蘊璆.電機學[M].5版.北京：機械工業出版社，2022.

[2] 康華光.電子技術基礎 模擬部分[M].6版.北京：高等教育出版社，2013.

[3] 王欣飛，謝龍漢，謝鋒然.51單片機原理與程序設計[M].北京：清華大學出版社，2014.

[4] PRATA S.C Primer Plus中文版[M].5版.云巔工作室，譯.北京：人民郵電出版社，2005.

收稿日期：2023-04-25

作者簡介：郭佳（2004—），女，河南漯河人，研究方向：電氣工程及自動化。