基于51單片機(jī)設(shè)計(jì)的比例電磁鐵控制技術(shù)
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引言
比例電磁鐵作為執(zhí)行元件,是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中;比例電磁鐵的推力大,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維護(hù)方便,成本低廉,是應(yīng)用非常廣泛的電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器[1];比例電磁鐵的特性及工作的可靠性,對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)具有十分重要的影響,是決定控制系統(tǒng)品質(zhì)的關(guān)鍵部件之一。比例電磁鐵作為電—機(jī)械轉(zhuǎn)換元件,其功能是將比例控制放大器輸給的電流信號(hào),轉(zhuǎn)換成位移或者力信號(hào)輸出。
比例電磁鐵適用于直流電壓為24 V比例控制放大器的控制線路中,作為連續(xù)地、按比例地控制系統(tǒng)執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)、速度和方向的動(dòng)力元件。比例電磁鐵在其額定行程范圍內(nèi)的推力與通入其線圈的電流成正比,可在其他需要作用力自動(dòng)控制的裝置上作為線性動(dòng)力元件,如自動(dòng)油門控制等。當(dāng)電磁鐵與單片機(jī)一起構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí), 由于電磁鐵的工作電壓較高, 工作電流較大,因此單片機(jī)與比例電磁鐵之間接口電路的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵。
隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,比例電磁鐵的需求量與日俱增,在各個(gè)控制領(lǐng)域都有應(yīng)用。下面介紹比例電磁鐵的控制技術(shù)。
1 PWM驅(qū)動(dòng)的基本原理及特點(diǎn)
PWM(Pulse Width Modulation,脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)是利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷,把直流電壓變成電壓脈沖列,并通過(guò)控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期來(lái)達(dá)到變壓、變頻目的的一種控制技術(shù)[2]。也就是用脈沖寬度不等的一系列等幅值的矩形脈沖去逼近一個(gè)所需要的電流或電壓信號(hào)。
PWM驅(qū)動(dòng)電路,是廣泛應(yīng)用于高精度控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)形式。這種電路能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍的速度和位置控制,較之常規(guī)驅(qū)動(dòng)方式具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。 PWM驅(qū)動(dòng)電路線路簡(jiǎn)單、快速性好、線性度好、效率高的優(yōu)點(diǎn),使其廣泛應(yīng)用于測(cè)量、通信、功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。本設(shè)計(jì)利用PWM驅(qū)動(dòng)電路所需大功率可控器件少、調(diào)速范圍寬、快速性好、效率高,功耗低的特點(diǎn),用C8051F005單片機(jī)直接輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路,然后配合合適的控制算法(PID算法或模糊控制算法等)去控制比例電磁鐵,可實(shí)現(xiàn)離合器的精確控制,對(duì)于電控離合器控制系統(tǒng)的研究有很好的參考價(jià)值。
2 比例電磁鐵與單片機(jī)接口電路
2.1 單片機(jī)概述
本控制系統(tǒng)采用的單片機(jī)是美國(guó)Silabs公司推出的C8051F005型單片機(jī)[3]。它是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片,有1個(gè)真正的12位多通道ADC、1個(gè)可編程增益放大器、2個(gè)12位DAC、2個(gè)電壓比較器、1個(gè)電壓基準(zhǔn)、1個(gè)具有32 KB Flash存儲(chǔ)器并與8051兼容的微控制器內(nèi)核,還有硬件實(shí)現(xiàn)的(不是在用戶軟件中用位操作模擬)I2C/SMBus、UART、SPI串行接口和1個(gè)具有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA),以及4個(gè)通用的16位定時(shí)器和4字節(jié)寬的通用數(shù)字I/O端口。C8051F005有2 304字節(jié)的RAM,執(zhí)行速度可達(dá)25 MIPS;具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、WDT和時(shí)鐘振蕩器,是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng),能有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè)。Flash存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力,可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ),并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。MCU可以關(guān)閉任何一個(gè)或全部外設(shè),以降低功耗。
C8051F005型單片機(jī)可在工業(yè)溫度范圍(-45~+85 ℃)內(nèi)用2.7~3.6 V的電壓工作。端口I/O、RST和JTAG引腳都容許5 V的輸入信號(hào)電壓。
2.2 PWM信號(hào)輸出及比例電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路
C8051F005 MCU有一個(gè)片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列PCA。PCA包括1個(gè)專用的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器時(shí)間基準(zhǔn)和5個(gè)可編程的捕捉/比較模塊。時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)鐘可以是下面的4個(gè)時(shí)鐘源之一:系統(tǒng)時(shí)鐘/12、系統(tǒng)時(shí)鐘/4、定時(shí)器0溢出或外部時(shí)鐘輸入(ECI)。
每個(gè)捕捉/比較模塊都有自己的I/O線(CEXn線),當(dāng)允許它工作時(shí),CEXn線通過(guò)功能選擇開(kāi)關(guān)連到端口的某個(gè)引腳。每個(gè)捕捉/比較模塊都有4種工作方式:邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時(shí)器、高速輸出、脈沖寬度調(diào)制(PWM)。PCA捕捉/比較模塊的I/O和外部時(shí)鐘輸入可以通過(guò)數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)連到 MCU的端口I/O引腳。
由PCA輸出8位PWM信號(hào)(占空比可變)程序如下:
$ include (c8051F005.inc)
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 0073H;定時(shí)器3的中斷入口
LJMP INTERT33
MAIN:
MOV WDTCN, #0DEH;禁止看門狗定時(shí)器
MOV WDTCN, #0ADH
MOV OSCICN, #84H;選擇內(nèi)部振蕩器為12 MHz
MOV XBR0, #08H;選擇CEX0引腳連到P0.0
MOV XBR2, #40H;允許功能選擇開(kāi)關(guān)
ORL PRT0CF, #00000001B;選擇P0.0為推拉方式
MOV TMR3RLL, #0B0H;給定時(shí)器3低字節(jié)賦初值
MOV TMR3RLH, #0A0H;給定時(shí)器3高字節(jié)賦初值
MOV PCA0CPH0, #0FFH;給PCA捕捉模塊高字節(jié)賦初值
MOV PCA0CPL0, #0FFH;給PCA捕捉模塊低字節(jié)賦初值
MOV PCA0MD, #08H;選擇PCA的時(shí)鐘源為系統(tǒng)時(shí)鐘,禁止CF中斷
MOV PCA0CPM0, #42H;選擇8位脈寬調(diào)制輸出方式,并啟動(dòng)開(kāi)始
MOV PCA0CN, #40H;允許PCA工作
MOV IE, #080H;CPU開(kāi)中斷
MOV EIE2, #1;T3開(kāi)中斷
MOV TMR3CN, #00000110B;啟動(dòng)T3工作,T3使用系統(tǒng)時(shí)鐘源
SJMP $
INTERT33:
MOV A, TMR3CN;清除T3的標(biāo)志位TF3
ANL A, #7FH
MOV TMR3CN, A
DEC PCA0CPH0;占空比的改變
RETI
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要,通過(guò)修改PCA0CPH0可以得到不同占空比的PWM信號(hào)。
本控制系統(tǒng)采用C8051F005 單片機(jī)的PCA由軟件實(shí)現(xiàn)8位分辨率的PWM輸出。PWM信號(hào)通過(guò)CEXn線由功能選擇開(kāi)關(guān)連到MCU的端口I/O引腳輸出,PWM輸出信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路可驅(qū)動(dòng)比例電磁鐵。模塊的捕捉/比較寄存器PCA0CPLn和PCA0CPHn中存放PWM輸出信號(hào)占空比高電平時(shí)間值。如果需要改變占空比,可在運(yùn)行中改變PCA0CPHn的值,比例電磁鐵的推桿位移與PCA0CPHn的值成比例。
在驅(qū)動(dòng)電路中需要將PWM輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為比例電磁鐵的控制電流信號(hào),而且要保證較好的比例特性關(guān)系。利用場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性[4],當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管的漏源極之間的電壓VDS保持不變時(shí),漏極電流ID與柵源之間電壓VGS的關(guān)系稱為“轉(zhuǎn)移特性”,其表達(dá)式為:
本控制電路采用了大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管IRL3803,其電流輸出足夠驅(qū)動(dòng)比例電磁鐵的動(dòng)作。IRL3803的漏極電流ID和柵源電壓VGS具有很好的線性關(guān)系,將柵極與C8051F005單片機(jī)的P0.0口(通過(guò)軟件編程PCA選擇的PWM信號(hào)輸出引腳),將IRL3803的漏極與比例電磁鐵相連。本電路中,比例電磁鐵是GP80,其額定吸力是120 N,行程為8 mm,額定電壓為24 V。
在進(jìn)行控制時(shí),通過(guò)改變輸入到比例電磁鐵開(kāi)關(guān)電信號(hào)“占空比”來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電流的大小。占空比越大,通過(guò)電磁鐵線圈的控制電流越大,控制輸出的位移也越大。
比例電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。在驅(qū)動(dòng)電路中,R1是限流電阻,使IRL3803管導(dǎo)通;D1是導(dǎo)向二極管,給IRL3803管提供正確的電壓極性;二極管D2起保護(hù)作用,避免過(guò)壓時(shí)損壞比例電磁鐵。比例電磁鐵由24 V電壓直接供電。
結(jié)語(yǔ)
C8051F005單片機(jī)的集成度高,外圍電路少,其高速執(zhí)行指令的特性能精確控制比例電磁鐵;C8051F005內(nèi)核與普通51系列兼容,且指令簡(jiǎn)單易學(xué),可縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。比例電磁鐵作為電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器件,已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。基于C8051F005單片機(jī)的比例電磁鐵控制系統(tǒng)能達(dá)到精度高、穩(wěn)定性好的要求,硬件電路簡(jiǎn)單、工作可靠。在應(yīng)用系統(tǒng)中,根據(jù)需要直接由單片機(jī)的I/O口輸出固定占空比或可變占空比PWM信號(hào),配以一定的控制算法,軟件編程清晰且容易實(shí)現(xiàn),具有很好的推廣價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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