直流电机调速控制实例详解

直流电机调速控制系统实例的结构图如图2-49所示。

图2-49　直流电机调速控制系统实例的结构图

如图2-49所示的直流电机调速控制系统实例中，采用Freescale公司的HCS12单片机作为主控芯片，并列出了该系统的主要功能模块。系统在直流电源供电的情况下，外部给定指令信号输入到单片机的通用I/O口和AD采样口确定电机的运行目标状态；电压、电流传感器反馈检测信号输入到单片机的AD采样口确定电机的当前电压、电流运行状态。当然，外部给定指令信号也可以通过CAN总线等通信方法与其他电控单元联系；速度传感器（一般采用光电式、霍尔式转速编码器等）的转速脉冲信号输入到单片机的输入捕获口确定电机的转速运行状态。单片机通过外部给定指令信号和电压、电流、转速等状态采样信号，经过转速电流双闭环控制算法的内部编程软件后，控制输出4路PWM信号（AH、AL、BH、BL），驱动电路将这4路PWM信号转换成4路脉冲控制信号，以便控制功率器件VT1～VT4的导通和关断状态，使电机按照外部指令给定的目标状态拖动负载运行。

1.外部指令信号

直流电机控制的外部给定信号是不可缺少的，如直流电机驱动的电动车辆的外部指令有启动与停车、前行与倒车、空挡滑行、加速与制动等，本实例里的外部指令信号主要有运行与停止控制信号R/S、正向与反向运行控制信号F/B、自主运行信号P及转速给定信号n*。

外部指令信号的接口和功能逻辑规定如下：

n*：转速给定信号。绝对值信号，表示目标转速大小，它直接送入单片机AD采样口的ATD2引脚。

R/S：运行与停止控制信号。接入单片机通用IO引脚PA0，作为通用输入口，高电平1时允许运行，低电平0时停止运行，默认方式停止。R/S信号相当于供电电源软开关的打开与关断，类似于系统不加电时就不允许工作一样；默认值为停止状态可以防止系统上电时因其他信号不正确而造成电机突然启动的不良后果。

F/B：正向与反向控制信号。接入单片机通用IO引脚PA1，作为通用输入口，高电平1时电机反向旋转，低电平0时电机正向旋转，默认方式电机正转。F/B信号只有在R/S信号为高电平时才有效。

P：自主运行信号。接人单片机通用IO引脚PA2，作为通用输入口，信号为高电平1时单片机所有PWM输出禁止，驱动电路关断所有功率器件，电机系统自主运行，不受指令控制，这种方式用于不切断电源的情况下让电机拖动负载自由转动，比如车辆自由滑行控制。当系统上电且电机需要启动R/S信号为高电平1时，如果自主运行信号P为高电平1，那么不管电机其他控制信号是什么样的状态，电机都不工作直到该信号变成低电平0为止。

2.检测与反馈信号

（1）电流检测信号

直流电机电枢绕组电流有方向性，因此数值上有正有负。电流检测采用电流传感器（霍尔电流传感器、互感电流传感器、康铜丝采样电阻），电流传感器的输出经差分运算电路变换至合适的电压范围（0～5V）后，输入到HCS12单片机的AD采样口ATD0引脚。

（2）速度反馈

直流电机转子转速一般采用光电式、霍尔式转速编码器等检测。编码器就是每转过单位的角度就发出一个脉冲信号，通常为A相、B相、Z相输出，A相、B相为相互延迟1/4周期的脉冲输出，根据延迟关系可以区别正反转，而且通过取A相、B相的上升和下降沿可以进行2或4倍频；Z相为单圈脉冲，即每圈发出一个脉冲。本实例的转速编码器采用1000线霍尔编码器，编码器的输出脉冲信号送入HCS12单片机的输入捕获口（PT口），HCS12单片机经过数据处理可得出转速的数字量（正转转速为正，反转转速为负）。

（3）电压检测

直流电机直流母线电压需要检测，以便当电压变化时，PWM信号占空比做相应调整。该信号还可以作为过电压和欠电压检测信号，该检测信号接HCS12单片机的AD采样口ATD1引脚。(www.xing528.com)

3.可逆H桥PWM变换器

可逆H桥PWM变换器的具体电路如图2-40所示。结合图2-49的实例可知，单片机的PWM输出控制（分别对应于PWM0～PWM3引脚）经过驱动电路产生4路驱动信号AH、AL、BH和BL，这4路驱动信号分别对应于图2-40中功率管VT1～VT4的驱动脉冲信号Ub1、Ub2和Ub4。PWM输出信号的占空比根据转速指令和实际转速反馈信号比较，经过PI调节器输出电流指令值，电流指令值再与实际电流值比较，同样采用PI调节器计算功率器件开关导通的占空比。

4.单片机控制软件

本实例中，控制信号的标志（R/S、F/B、P）设置在通用IO口的1ms定时检测程序中执行；转速信号（n）采集设置在输入捕获中断中处理，由于转速相对于电流、电压信号惯性较大，故本例中10ms出一个有效转速信号；设置PWM的开关频率为10k Hz，程序的主要工作在100μs定时中断服务程序中进行，100μs定时中断服务程序流程如图2-50所示。

图2-50　100μs定时中断服务程序流程图

图2-50中，100μs定时中断服务程序首先进行AD采样及其信号处理（V、I、n*）；接着判断自主运行信号P的值，判断是否存在过压、欠压、过流等保护现象，判断运行与停止控制信号R/S的值。若P为高电平1或者出现过压过流现象或者R/S为低电平0时，则直接执行PWM禁止设置然后中断返回，若没有以上现象就根据正向与反向控制信号F/B的值决定n*的取值，并计算Δn＝n*—n的值；根据Δn的值判断正反转逻辑，若Δn≥0则执行正转的转速环PI调节和电流环PI调节得到PWM占空比，并执行正转PWM占空比设置。若Δn＜0则执行反转的转速环PI调节和电流环PI调节得到PWM占空比，并执行反转PWM占空比设置。最后执行中断返回。

复习思考题

5.1　分析直流发电机的基本工作原理。

5.2　分析直流电机的基本工作原理。

5.3　简述直流电机的基本组成部分。

5.4　分析直流电机电枢电动势与电磁转矩公式的推导过程。

5.5　简述他励直流电机的固有机械特性。

5.6　简述他励直流电机的调速方法。

5.7　简述他励直流电机的制动方法。

5.8　分析可逆H桥PWM变换器的基本工作原理。

5.9　分析直流电机速度反馈单闭环控制系统的基本工作原理。

5.10　分析直流电机速度电流双闭环控制系统的基本工作原理。