摘 要：采用MS51FB9AE單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款低成本、高可靠性、高安全性的直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。該控制器工作電壓20 V，功率100 W，由功率管構(gòu)建斬波回路和安全回路，利用單片機(jī)內(nèi)置的PWM模塊實(shí)現(xiàn)調(diào)速和保護(hù)功能，防止運(yùn)行事故。該控制器能夠提供可靠的斷路保護(hù)，其數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)采集溫度、電壓、電流信號(hào)，提供系統(tǒng)各種保護(hù)功能，串口模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信；控制器充分利用GPIO復(fù)用功能，并結(jié)合查理復(fù)用原理實(shí)現(xiàn)有限IO多路復(fù)用。

關(guān)鍵詞：直流有刷電機(jī)；控制器；驅(qū)動(dòng)；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP23? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：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(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)效率高，具備很強(qiáng)的負(fù)載能力以及適應(yīng)不同轉(zhuǎn)速條件下的負(fù)載突變等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于低成本的應(yīng)用場(chǎng)合，例如割草機(jī)、吸塵器、玩具等[1-2]。直流有刷電機(jī)的運(yùn)行性能依賴于驅(qū)動(dòng)器，如驅(qū)動(dòng)電壓不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致直流有刷電機(jī)調(diào)速性能下降以及使用壽命縮短等問(wèn)題[3-4]。因此，提升直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可靠性與安全性，對(duì)于保證其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)具有十分重要的意義。

本文設(shè)計(jì)了一款低成本、高安全性、高可靠性的直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。該控制器采用NUVOTON公司生產(chǎn)的MS51FB9AE芯片為主控單元，組合了DC/DC電源、信號(hào)采樣、功率驅(qū)動(dòng)、通信和外圍等電路，能夠以較低的應(yīng)用成本實(shí)現(xiàn)直流有刷電機(jī)的高性能運(yùn)行控制。

1? ? 直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)

1.1? ? 硬件電路總體設(shè)計(jì)方案

直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，該方案使用MS51FB9AE作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)直流有刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、調(diào)速、保護(hù)以及相關(guān)交互功能。微控制器PWM模塊產(chǎn)生多路PWM信號(hào)，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電路控制MOS管T5斬波，調(diào)節(jié)加給串聯(lián)繞組的電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速功能，T4管用來(lái)實(shí)現(xiàn)電子剎車功能，T7管用來(lái)安全防護(hù)。同時(shí)，利用ADC模塊對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的直流電壓、電機(jī)電流以及溫度等信號(hào)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)提供給微控制器實(shí)現(xiàn)軟件保護(hù)、邏輯功能。使用串口模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行程序的監(jiān)督或在線升級(jí)功能。此外，控制器還充分利用MS51FB9AE的引腳資源，通過(guò)復(fù)用形式最大限度實(shí)現(xiàn)如LED指示燈等外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。

1.2? ? MS51FB9AE外圍電路

圖2給出了單片機(jī)主控電路，本控制器選用NUVOTON公司生產(chǎn)的MS51FB9AE搭建主控電路，該芯片是一款增強(qiáng)型8位8051內(nèi)核的微控制器，有20腳，工作頻率最高可達(dá)24 MHz，芯片內(nèi)部集成了豐富的外設(shè)資源，除去2個(gè)電源引腳，還具備18腳可復(fù)用的通用GPIO。MS51FB9AE具備定時(shí)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(xié)議，性價(jià)比高，功能豐富，能夠充分滿足直流有刷電機(jī)控制的資源需求。本控制器針對(duì)主控芯片有限的GPIO資源，在使用時(shí)結(jié)合引腳復(fù)用以及查理復(fù)用原理，對(duì)基本輸入/輸出外圍設(shè)備進(jìn)行拓展，以提高單片機(jī)的應(yīng)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(gè)控制器由外部電池提供電源，電壓20 V，通過(guò)電阻分壓，提供約12 V輸入到線性穩(wěn)壓器（LDO）MD85E50芯片中，LDO產(chǎn)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(dāng)通電開關(guān)關(guān)閉后，主控芯片可以通過(guò)Self On信號(hào)來(lái)關(guān)閉電源回路，軟件控制實(shí)現(xiàn)自關(guān)閉功能。

1.4? ? 驅(qū)動(dòng)電路

圖4展示了驅(qū)動(dòng)電路，在本設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)電路主要由3個(gè)MOS管構(gòu)成，MOS管型號(hào)為SVG042R5NL5，能夠承受的漏源電壓為40 V，最大可通過(guò)漏極電流為108 A。其中，T4 MOS管構(gòu)成制動(dòng)電流通路，當(dāng)電機(jī)在高速運(yùn)行狀態(tài)下突然制動(dòng)時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)的存在，電機(jī)兩端可能會(huì)產(chǎn)生較大的泵升電壓，此時(shí)可以通過(guò)HO信號(hào)開通T4，分擔(dān)制動(dòng)電流以防止損壞驅(qū)動(dòng)電路。T5為主驅(qū)動(dòng)MOS管，用于控制直流有刷電機(jī)運(yùn)行，根據(jù)伏秒平衡原理，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，主控芯片通過(guò)調(diào)整LO輸入的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比來(lái)控制加載在直流有刷電機(jī)上的電壓大小，從而達(dá)到精準(zhǔn)調(diào)速的效果。T7作為T5的下級(jí)保護(hù)電路存在，用于保護(hù)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路的安全。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)Safe_DR信號(hào)開通T7，構(gòu)成正常的驅(qū)動(dòng)回路來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)T5 MOS管因?yàn)檫\(yùn)行出錯(cuò)而出現(xiàn)短路故障時(shí)，主控芯片可以通過(guò)關(guān)閉T7來(lái)斷開驅(qū)動(dòng)回路，從而停止電機(jī)，保障設(shè)備安全。

1.5? ? 采樣電路

電流采樣電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用LMV358運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，通過(guò)設(shè)置合適的放大系數(shù)，獲取直流電流大小。在本控制器中，分別對(duì)直流母線電壓、母線電流、電機(jī)溫度、驅(qū)動(dòng)板溫度等信號(hào)進(jìn)行了采樣，并輸入MS51FB9AE的ADC通道進(jìn)行處理，同時(shí)在軟件內(nèi)部設(shè)置了相應(yīng)的軟件保護(hù)。

1.6? ? 串口通信電路

為了能夠?qū)刂破鬟\(yùn)行程序進(jìn)行監(jiān)控與更新，設(shè)計(jì)了串口通信電路，如圖6所示。在串口通信電路中，通過(guò)光耦隔離電路對(duì)RX和TX信號(hào)進(jìn)行隔離，從而減小系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)電磁干擾對(duì)串口通信的影響，提升控制器的通信穩(wěn)定性。

2? ? 直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器軟件設(shè)計(jì)

圖7展示了本控制器的軟件流程圖，MS51FB9AE芯片具備兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)區(qū)APROM和LDROM，便于利用串口通信實(shí)現(xiàn)在線系統(tǒng)編程。當(dāng)控制器上電之后，程序開始判定是否需要更新當(dāng)前程序，如果需要更新，則執(zhí)行Bootloader引導(dǎo)程序完成更新，否則控制器將進(jìn)入有限狀態(tài)機(jī)循環(huán)。有限狀態(tài)機(jī)將每2 ms執(zhí)行一次，并根據(jù)按鍵指令切換狀態(tài)。每次執(zhí)行完子狀態(tài)任務(wù)函數(shù)后，將執(zhí)行軟件保護(hù)任務(wù)，對(duì)相關(guān)采樣值進(jìn)行判斷，如果不在有效范圍內(nèi)，則系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警并退出等待用戶手動(dòng)復(fù)位。

3? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8是電機(jī)啟動(dòng)加速、全速運(yùn)行、溜車減速、短接制動(dòng)全過(guò)程的相關(guān)波形，從上到下依次是電機(jī)電流、電機(jī)負(fù)端對(duì)地電壓及電機(jī)繞組電壓。根據(jù)波形可知，軟啟動(dòng)過(guò)程約耗時(shí)800 ms，而后20 V直流電壓全部加載到電機(jī)繞組上，穩(wěn)態(tài)電流約3 A，2.5 s后收到停機(jī)指令，電機(jī)滑動(dòng)溜車減速1 s，再將并聯(lián)在電機(jī)繞組旁的T4開通，實(shí)現(xiàn)短接制動(dòng)，電機(jī)迅速剎停。

4? ? 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一款有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方案，所設(shè)計(jì)的控制器額定電壓20 V，功率100 W，具有軟啟動(dòng)、欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、電子剎車等功能，工作可靠穩(wěn)定，安全性高。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 湯蘊(yùn)璆.電機(jī)學(xué)[M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2022.

[2] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 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(jī)原理與程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)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(jiǎn)介：郭佳（2004—），女，河南漯河人，研究方向：電氣工程及自動(dòng)化。