直流有刷电机驱动控制器设计.pdf

0引言直流有刷电机因其结构简单，启动效率高，具备很强的负载能力以及适应不同转速条件下的负载突变等特点，被广泛应用于低成本的应用场合，例如割草机、吸尘器、玩具等1-2。直流有刷电机的运行性能依赖于驱动器，如驱动电压不稳定，可能导致直流有刷电机调速性能下降以及使用寿命缩短等问题3-4。因此，提升直流有刷电机驱动电路可靠性与安全性，对于保证其应用优势具有十分重要的意义。本文设计了一款低成本、高安全性、高可靠性的直流有刷电机驱动控制器。该控制器采用NUVOTON公司生产的MS51FB9AE芯片为主控单元，组合了DC/DC电源、信号采样、功率驱动、通信和外围等电路，能够以较低的应用成本实现直流有刷电机的高性能运行控制。1直流有刷电机驱动控制器硬件设计1.1硬件电路总体设计方案直流有刷电机驱动控制器的总体设计方案如图1所示，该方案使用MS51FB9AE作为主控芯片，实现直流有刷电机的驱动、调速、保护以及相关交互功能。微控制器PWM模块产生多路PWM信号，结合驱动电路控制MOS管T5斩波，调节加给串联绕组的电压，实现电机调速功能，T4管用来实现电子刹车功能，T7管用来安全防护。同时，利用ADC模块对驱动系统中的直流电压、电机电流以及温度等信号进行采集，并将数据提供给微控制器实现软件保护、逻辑功能。使用串口模块与上位机进行通信，实现运行程序的监督或在线升级功能。此外，控制器还充分利用MS51FB9AE的引脚资源，通过复用形式最大限度实现如LED指示灯等外围设备的驱动。1.2MS51FB9AE外围电路图2给出了单片机主控电路，本控制器选用NUVOTON公司生产的MS51FB9AE搭建主控电路，该芯片是一款增强型8位8051内核的微控制器，有20脚，工作频率最高可达24 MHz，芯片内部集成了丰富的外设资源，除去2个电源引脚，还具备18脚可复用的通用GPIO。MS51FB9AE具备定时器、6路PWM输出通道以及8路12位ADC采样通道，支持UART、SPI、IIC等通信协议，性价比高，功能丰富，能够充分满足直流有刷电机控制的资源需求。本控制器针对主控芯片有限的GPIO资源，在使用时结合引脚复用以及查理直流有刷电机驱动控制器设计郭佳（苏州城市学院，江苏 苏州 215311）摘要：采用MS51FB9AE单片机设计了一款低成本、高可靠性、高安全性的直流有刷电机驱动控制器。该控制器工作电压20 V，功率100 W，由功率管构建斩波回路和安全回路，利用单片机内置的PWM模块实现调速和保护功能，防止运行事故。该控制器能够提供可靠的断路保护，其数模转换模块负责采集温度、电压、电流信号，提供系统各种保护功能，串口模块实现与上位机通信；控制器充分利用GPIO复用功能，并结合查理复用原理实现有限IO多路复用。关键词：直流有刷电机；控制器；驱动；硬件设计；软件设计中图分类号：TP23文献标志码：A文章编号：1671-0797（2023）16-0058-04DOI：10.19514/32-1628/tm.2023.16.015图1直流有刷电机控制板设计与分析Sheji yu Fenxi58复用原理，对基本输入/输出外围设备进行拓展，以提高单片机的应用灵活性。1.3电源电路图3所示为控制器的电源电路，整个控制器由外部电池提供电源，电压20 V，通过电阻分压，提供约12 V输入到线性稳压器（LDO）MD85E50芯片中，LDO产生5 V电压输出提供给主控芯片MS51FB9AE。为了保障电源电路的可靠性和安全性，当通电开关关闭后，主控芯片可以通过Self On信号来关闭电源回路，软件控制实现自关闭功能。1.4驱动电路图4展示了驱动电路，在本设计中，驱动电路主要由3个MOS管构成，MOS管型号为SVG042R5NL5，能够承受的漏源电压为40 V，最大可通过漏极电流为108 A。其中，T4 MOS管构成制动电流通路，当电机在高速运行状态下突然制动时，由于反电动势的存在，电机两端可能会产生较大的泵升电压，此时可以通过HO信号开通T4，分担制动电流以防止损坏驱动电路。T5为主驱动MOS管，用于控制直流有刷电机运行，根据伏秒平衡原理，当电机运行时，主控芯片图2主控电路图3电源电路Sheji yu Fenxi设计与分析59通过调整LO输入的PWM驱动信号占空比来控制加载在直流有刷电机上的电压大小，从而达到精准调速的效果。T7作为T5的下级保护电路存在，用于保护电机和驱动电路的安全。当电机正常运行时，通过Safe_DR信号开通T7，构成正常的驱动回路来控制电机运行。当T5 MOS管因为运行出错而出现短路故障时，主控芯片可以通过关闭T7来断开驱动回路，从而停止电机，保障设备安全。1.5采样电路电流采样电路结构如图5所示，采用LMV358运算放大器进行信号调理，通过设置合适的放大系数，获取直流电流大小。在本控制器中，分别对直流母线电压、母线电流、电机温度、驱动板温度等信号进行了采样，并输入MS51FB9AE的ADC通道进行处理，同时在软件内部设置了相应的软件保护。1.6串口通信电路为了能够对控制器运行程序进行监控与更新，设计了串口通信电路，如图6所示。在串口通信电路中，通过光耦隔离电路对RX和TX信号进行隔离，从而减小系统运行时电磁干扰对串口通信的影响，提升控制器的通信稳定性。2直流有刷电机驱动控制器软件设计图7展示了本控制器的软件流程图，MS51FB9AE芯片具备两个独立的存储区APROM和LDROM，便于利用串口通信实现在线系统编程。当控制器上电之后，程序开始判定是否需要更新当前程序，如果需要更新，则执行Bootloader引导程序完成更新，否则控制器将进入有限状态机循环。有限状态机将每2 ms执行一次，并根据按键指令切换状态。每次执行完子状态任务函数后，将执行软件保护任务，对相关采样值进行判断，如果不在有效范围内，则系统会发出报警并退出等待用户手动复位。3实验结果图8是电机启动加速、全速运行、溜车减速、短接制动全过程的相关波形，从上到下依次是电机电流、电机负端对地电压及电机绕组电压。根据波形可知，软启动过程约耗时800 ms，而后20 V直流电压全部加载到电机绕组上，稳态电流约3 A，2.5 s后收到停图4驱动电路图5采样电路设计与分析Sheji yu Fenxi60控制系统设计J.电气技术与经济，2018（2）：21-26.6 张长缨，张侃谕.智能型立体车库的构成及智能化方案J.自动化与仪表，2002，17（1）：35-37.7 谢爱梅.基于PLC的立体车库控制系统设计J.时代农机，2017，44（6）：76-77.8 许士杰，唐晨，许炯炯，等.PLC控制的新型立体车库J.机电工程技术，2019，48（2）：58-59.9 孟广耀，穆国振，王文涛，等.新型立体车库设计及分析J.中国工程机械学报，2019，17（4）：340-344.10 汪有，范恒亮.智能立体车库结构与系统设计J.内燃机与配件，2020（2）：213-214.收稿日期：2023-04-27作者简介：邓明斌（1995），男，广东韶关人，研究方向：移动机器人技术。机指令，电机滑动溜车减速1 s，再将并联在电机绕组旁的T4开通，实现短接制动，电机迅速刹停。4结束语本文介绍了一款有刷直流电机驱动控制器的设计方案，所设计的控制器额定电压20 V，功率100 W，具有软启动、欠压、过压、过流、电子刹车等功能，工作可靠稳定，安全性高。参考文献1 汤蕴璆.电机学M.5版.北京：机械工业出版社，2022.2 康华光.电子技术基础 模拟部分M.6版.北京：高等教育出版社，2013.3 王欣飞，谢龙汉，谢锋然.51单片机原理与程序设计M.北京：清华大学出版社，2014.4 PRATA S.C Primer Plus中文版M.5版.云巅工作室，译.北京：人民邮电出版社，2005.收稿日期：2023-04-25作者简介：郭佳（2004），女，河南漯河人，研究方向：电气工程及自动化。图6串口通信电路图7控制器软件流程图图8运行波形（上接第57页）Sheji yu Fenxi设计与分析61