关于PWM直流电动机控制系统的分析

随着经济的发展, 在各类机电系统中, 由于直流电动机具有良好的启动、制动和调速性能, 直流调速技术已广泛运用于工业的各个方面。最常用的直流调速技术是脉宽调制直流调速技术, 它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低等优点。

1 嵌入式实时操作系统uC/OS-II介绍

uC/OS-II是由LABR0SSE J J于1992年编写的一个嵌入式多任务实时操作系统, 并符合RTCA DO～178B标准的认证, 由此证明uC/OS-II具有足够的稳定性和安全性。uC/OS—II是用C语言和汇编语言编写的, 用户只需作很少的工作就可把它移植到各类嵌入式处理器上。

2 系统工作原理

基于嵌入式系统的电动机PWM控制电路框图如图1所示, 图1为采用GF (函数发生器) 检测电动机转速的控制电路实例。由于GF的输出是频率信号, 该频率的电平可能和单片机的电平信号不匹配, 需要先对F信号进行电平转换后再送到单片机的计数器上采集信号, 由CPU处理相关数据后再通过PWM输出模块将PWM信号输出到开关晶体管VT的基极, 实现对电动机的PWM控制。图1中PWM电路的周期保持恒定, 根据输入的信号改变脉宽的占空比, 当占空比改变时, 晶体管VT的通/断时间改变, 则供给电动机的平均电流也跟着改变, 即要改变电动机的转速, 只需改变PWM的占空比即可。续流二极管VD用于保护VT, 当VT截止时, 电动机绕阻电感所贮存的能量通过VD释放。

3 系统软硬件设计

3.1 硬件设计

系统硬件由电源电路、复位电路、键盘电路、LED显示电路、电动机控制电路及JTAG接口电路6个部分组成, 如图2所示。

(1) 电源电路。

LPC213X微控制器的内核和I/O口使用同一电源电压, 只需单电源3.3V供电, 所以将外部开关电源所提供的24V电动机驱动电源先用线性稳压芯片7805降压为5V, 再用As1117-3.3降压成3.3V给系统供电。在7805的输入端接入1只二极管, 可防止24V电压意外接反时损坏电路板。电源电路原理如图3所示。

(2) 复位电路。

由于ARM芯片高速的、低功耗和低工作电压特性导致其噪声容限低, 对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。因此, 本系统采用专用的电源监控芯片CAT1025JI-30, 用于提高系统的可靠性。

(3) 键盘电路。

在电路中采用2个独立的键盘分别对电动机进行加速和减速控制, 初始状态下电动机处于停止状态, 通过加速键可对电动机进行启动和加速, 通过减速键可对电动机进行减速控制, 当速度减为零时, 电动机停止。

(4) IED显示电路。

为了更好地显示系统的工作情况, 在电路中设计了2个发光二极管LED1和LED2分别作为电源和电动机工作状态指示灯。当给系统上电时, 电源指示灯LED1亮, 当电动机转动时, 工作状态指示灯LED2亮;当电动机停止时, LED2熄灭。

(5) 电动机控制电路。

图4为电动机控制电路原理图, 电路中由LPC213X为晶体管VT提供PWM信号, 续流二极管VD用于保护晶体管VT, 当VT截止时, 电动机绕阻电感所贮存的能量通过VD释放。

3.2 软件设计

软件部分是在ADS1.2环境下用C语言针对相应的硬件功能进行编写。系统软件流程如图5所示。经过硬件设计及相应的软件编程, 对系统先进行了实验调试, 调试成功后, 进行了封装, 投入了正式运行。

4 结语

系统运行结果表明, 直流调速控制器采用ARM芯片、软件在u C/OS-II下实现了对直流电动机的PWM调速控制。它较好地实现了对直流电动机的速度控制, 并具有快速响应性好、稳定性高等优点。LPC213X作为32位的ARM微控制器, 用于直流电动机的PWM调速不仅具有性能好, 而且经济可靠, 因此能获得良好的实用价值。

摘要：本文主要讲述一种新型的由ARM芯片和嵌入式操作系统uC/OS-II及如何实现直流电动机PWM调速控制系统, 并分析了该调速控制系统的工作原理以及各种控制系统的方法, 以供同行参考。

关键词：电动机,调速,电路原理,控制