摘要：在設計中使用MSP430F169單片機提供控制電機需要的PWM信號，通過電機驅動芯片MSK4226實現(xiàn)直流電機的四象限運行;驅動芯片上的電流測量環(huán)節(jié)保證電機運動中不發(fā)生堵轉;最后比較了電機直接啟動與四象限控制中的響應速度與達到穩(wěn)態(tài)的時間。
0 引言
本文主要介紹了一種直流電機的四象限控制器。控制器以單片機MSP430F169作為控制核心，利用單片機的PWM功能，可發(fā)生多通道占空比可調的PWM信號;PWM信號通過電機驅動芯片MSK4226將電機兩端的電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，控制電機轉速與轉向;單片機實時監(jiān)測驅動芯片上的電機電流，發(fā)生過流時采取保護;在文章的最后比較了電機四象限控制與單像控制，總結出了四象限控制的優(yōu)缺點。
1 控制原理及方法
1.1 PWM控制原理
直流電動具有慣性環(huán)節(jié)，直流電機的數(shù)學模型相當于一個電阻和電感串聯(lián)而成，而沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積，效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。
PWM(脈沖寬度調制)控制通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要的波形(含形狀和幅值)。
PWM調速是利用PWM調制的方法，將恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，根據(jù)沖量相同的原則來改變平均輸出電壓的大小，以調節(jié)電機的轉速。
1.2 四象限控制
電機的單象限控制只能運行在電動運轉狀態(tài)下，能量只能單向流動。而電機的四象限控制電機能運行在電動與發(fā)電狀態(tài)下，能量可雙向流動。電機的四象限運動分別為正向電動、回饋發(fā)電制動、反接制動、反向電動狀態(tài)。如圖1所示，以電機的轉速為縱坐標，以轉矩為橫坐標建立的直角坐標系描述的電機四種運行狀態(tài)。
為了實現(xiàn)電機在四象限內運行和切換，采用了雙極式PWM變換器。雙極式PWM變換器調節(jié)占空比來控制能量的流動大小與方向，占空比> 50%，<50%或等于50%分別實現(xiàn)I象限、II象限、III和Ⅳ象限電機運動。
2 控制系統(tǒng)
硬件控制系統(tǒng)主要包括核心控制器、電機驅動模塊及電機過流保護模塊。
2.1 PWM信號的發(fā)生
控制系統(tǒng)中，核心控制器采用TI公司生產的MSP430F169單片機，該單片機具有兩個16位定時器A和B，利用定時器的捕獲、比較功能實現(xiàn)PWM信號發(fā)生。
本文中需要兩路頻率在1～2kHZ之間、占空比可調的PWM信號。首先選擇定時器A的時鐘為輔助時鐘并清除定時器，輔助時鐘頻率為32.76 8kHz;在定時器的捕獲\比較寄存器0中調整PWM信號的周期;在獲\比較寄存器1與2的值可分別調整兩路PWM信號的占空比;工作模式設置為PWM復位\置位模式;計數(shù)器為增計數(shù)模式;設置端口P1.2、P1.3為PWM輸出端口。
2.2 電機驅動模塊
本設計中PWM信號的功率放大主要通過功率模塊MSK4226實現(xiàn)。MSK4226內部集成了功率場效應管H橋，H橋自舉驅動與控制電路。H橋場效應管具有低的導通電阻(典型值0.013 Ω)，最大75V的電源母線電壓，20A連續(xù)電流，可滿足系統(tǒng)功率要求。H橋自舉驅動與控制電路包括H橋高低端場效應管驅動、死區(qū)時間產生、直通保護及H橋關斷等電路。
2.3 控制電路
在本系統(tǒng)的雙極性PWM模式下，V1、V4開關管控制端AHI與BLI并聯(lián)，V2、V2開關管控制端ALI和BHI并聯(lián);MSP430F169單片機的端口P1.2 P1.3產生的兩路PWM信號控制這兩個并聯(lián)端。來自單片機的關斷信號接入驅動芯片的關斷使能端DIS。功率肖特基二極管D1～D4分別反向并接在V1～V4上，當負載向電源反饋能量時起保護功率管的作用，其反向耐電壓應大于電源電壓，反向恢復時間10ns左右。電阻R1與電容C1構成緩沖網絡，用于抑制尖峰電壓。對于某些感性負載，可能導致MSK4226近似100ns數(shù)安培的直通現(xiàn)象。反向并接RSENSEA與地之間，RSENSEB與地之間的功率肖特基二極管用于抑制這種現(xiàn)象。
2.4 過流保護模塊
如圖2所示，在MSK4226的RSENSEA與RSENSEB引腳對地接0.01 Ω無感電阻，電機電流流過電阻，在電阻兩端電流取樣。取樣的電壓值經過運算放大器放大后，AD采樣后傳輸給單片機作為判斷電機是否堵轉的依據(jù)。
3 電機四象限控制
3.1 第I象限工作-正轉電動運行控制
在AHI與BLI、ALI和BHI并聯(lián)的控制端輸入3.3～5V、開關頻率小于200kHz的邏輯電平信號，兩路信號的頻率相同，相位相反。
當AHI與BLI端口輸入信號的占空比<50%，而ALI和BHI端口信號的占空比>50%時，MSK4226模塊的OUTA端口的電壓大于OUTB端口，電機正向轉動。AHI與BLI端口信號占空比為零，ALI和BHI端口信號占空比為100%時達到正向轉動最大速度。如圖為AHI與BLI端信號占空比30%，AHI與BLI端信號占空比70%的控制波形圖3。
3.2 第II、IV象限工作-電機制動控制
當AHI與BLI、ALI和BHI端口輸入信號的占空比都為50%時，OUTA和OUTB端口輸出電壓占空比為50%，電機處于制動狀態(tài)，電機停轉。制動狀態(tài)不等于停機，此時電樞兩端的瞬時電壓和瞬時電流都不為零，而是交變的?？刂齐姍C停機可使能驅動模塊的DIS引腳。
3.3 第III象限工作-正轉電動運行控制
AHI與BLI端口輸入信號的占空比>50%，而ALI和BHI端口信號的占空比<50%時，MSK4226模塊的OUTB端口的電壓大于OUTA端口，電機負向轉動。AHI與BLI端口信號占空比為100%，ALI和BHI端口信號占空比為零時達到負向轉動最大速度。
4 結束語
文章中利用MSK4226模塊達到直流電機四象限運動控制。在電機的四象限控制中電機制動時，電機處于高頻振動，起著“動力潤滑”的作用，消除正反向啟動時的靜摩擦死區(qū)，所以電機啟動、運行過程中電流比較連續(xù)、啟動時間短、響應速度快。
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