基于MC9S12XS單片機的直流電機PWM調速系統(tǒng)設計

葉繼英，沈曉群，李莉莉

（浙江海洋學院機電工程學院，浙江舟山 316004）

近年來，PWM（Pulse Width Modulation）技術在整流電路中開始應用，并顯示出了突出的優(yōu)越性。脈沖寬度調制PWM是產生精確脈沖序列輸出和實現(xiàn)D/A轉換的有效辦法，微控制器的脈寬調制模塊被廣泛應用于工業(yè)控制和新型消費機電產品中（如智能空調、節(jié)能冰箱等）。PWM信號通過軟件編程調節(jié)波形的占空比、周期和相位，能夠用于直流電動機調速、伺服電動機控制、D/A轉換器等應用[1]。本文以直流電動機的調速系統(tǒng)為例，詳細分析PWM技術在其中的應用。

1 調速系統(tǒng)的方案論證

直流電動機的調速方法有電樞串聯(lián)電阻、弱磁調速以及改變電樞電壓三種。電樞串聯(lián)電阻后，在電阻上流過電樞電流產生壓降，電樞端電壓隨之減低，但是這種調速方法不經濟，當η=0.5時，由電網吸取的功率有一半消耗在電樞總電阻上。弱磁調速的優(yōu)點是控制功率較小，能量損耗小，但在高速時受到換向火花的限制，而低速時磁通較大，電動機的體積及耗費的材料需增多，不經濟。改變電樞電壓，比如采用晶閘管直流裝置，可得一組平行的特性，速度與電壓成正比，并具有相同的斜率β[2]。

隨著計算機控制技術的發(fā)展，微控制器可以方便的產生PWM信號，能夠代替電力電子器件組成的復雜電路。本文采用MC9S12XS128單片機產生PWM脈寬調制波。

MC9S12XS128單片機是16位機，內部具有獨立的脈沖寬度調制模塊PWM，也就是比起MC51系列的單片機來說不會占用定時器模塊，使用時極少占用CPU資源。MC9S12XS128的PWM模塊具有8路8位獨立PWM通道，精度是1/256。當處于級聯(lián)模式時，8個8位PWM通道通過兩兩級聯(lián)構成4個16位的PWM通道，精度是1/65 536，以一個5 V的電源為例，每刻度能夠精確到76.3 μV，可以實現(xiàn)直流電動機的無級調速，減少對電網的沖擊。

2 硬件設計與實現(xiàn)

主芯片采用MC9S12XS128，兩路PWM通道信號控制直流電動機的前進、后退以及停止，編程可實現(xiàn)。要驅動、控制一個直流電動機需要設計直流電動機驅動電路，既可以使用分立的功率元件搭建驅動電路，也可以使用集成的直流電動機功率驅動芯片。

圖1為分立功率元件搭建的驅動電路，工作時V1和V2通斷狀態(tài)互補，V3和V4的通斷狀態(tài)也互補，Ub1～Ub4是PWM控制信號[3]。本文采用集成驅動芯片MC33887，以此來簡化電路。

MC33887是一塊集成的直流電動機H橋功率驅動芯片，它的內部具有負載電流反饋，利用MC9S12XS128的ADC模塊對其進行采樣，實時監(jiān)控H橋的高邊工作電流值，最終實現(xiàn)對直流電動機的速度和轉矩的閉環(huán)控制。為了防止電機輸出電流對電源的沖擊，在電源輸入端口（7.2 V）并聯(lián)一個電容。當PWM7輸出時，通過MC33887驅動后OUT1輸出控制信號，直流電動機正轉；當PWM5輸出時，通過MC33887驅動后OUT2輸出控制信號，電機反轉；當PWM5、PWM7無輸出時，電機停轉。要實現(xiàn)驅動電流有余量，可以并聯(lián)一塊MC33887芯片。

圖1 分立元件單相橋式PWMFig．1 Single phase bridge PWM of discrete element

圖2 MC33887驅動直流電動機原理圖Fig．2 MC33887 for DC motor control schematic

3 軟件設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)程序由主程序和幾個子程序組成，按照系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能來劃分每個模塊，如總線時鐘初始化、PWM初始化、直流電動機的正轉、反轉等。本文給出總流程圖和PWM模塊流程圖，總線時鐘模塊流程圖及編程略[4]。

圖3 程序流程圖Fig．3 Program flow chart

下面以MC9S12XS128芯片晶振16 MHz為例，實現(xiàn)輸出占空比為25%，頻率為5 000 Hz的PWM波，驅動直流電動機正轉。利用MC9S12XS128芯片的內部鎖相環(huán)（IPLL）功能，使總線時鐘頻率達到32 MHz，編程可實現(xiàn)。PWM初始化模塊中PWMPRCLK預分頻為4，則時鐘Clock B頻率為8 MHz；分頻因子PWMSCLB為4，根據公式（2）可得時鐘Clock SB為1 MHz，即通道時鐘周期為1 μs。

PWM極性為1，左對齊輸出波形如下圖所示。當PWMCNT計數器加法計數到通道占空比PWMDTY中設置的數值時，PWM通道輸出波形從高電平變成低電平；當PWMCNT計數器加法計數到通道周期寄存器PWMPER中設置的數值時，PWMCNT清零，輸出波形電平翻轉，如此反復，輸出PWM波。

根據公式（3），當時鐘周期PWMPERx為200時，可得PWMx周期為200 μs，即輸出的PWM波形頻率為5 000 Hz。要使得到的占空比為25%，根據公式（4），則PWMDTYx應為50。由此可知，只需改變PWMDTYx的值，就可以得到不同的占空比，從而改變電壓值，控制直流電動機的轉速。左對齊方式輸出（CAEx=1）：

當PPOLx=1時，PWM占空比公式如下：

圖4 左對齊PWM波形Fig.4 Left aligned output PWM

PWM控制電機速度的程序如下。要得到所需的占空比，只要改變函數Motor_forward(i)中的變量i即可。

4 結論

該系統(tǒng)利用MC9S12XS128單片機生成PWM信號，通過集成驅動芯片MC33887驅動直流電動機，實現(xiàn)數字式的PWM直流電機調速系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的基于硬件組成的PWM調速系統(tǒng)，成本相對得到降低；同時系統(tǒng)的控制精度得到提高。該系統(tǒng)具有可靠性高，調試、運行比較方便的特點，整個系統(tǒng)具有一定的實際應用價值。

[1]張 陽,吳 曄,滕 勤,等.MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011.

[2]顧繩谷.電機及拖動基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社,2004.

[3]王兆安,黃 俊.電力電子技術[M].第4版.北京：機械工業(yè)出版社,2005.

[4]王宜槐,曹金華.嵌入式系統(tǒng)設計實戰(zhàn)——基于飛思卡爾S12X微控制器[M].北京：航空航天大學出版社,2011.