直流電機控制的改進措施

張偉霞，廖 清

(廣州廣電運通金融電子股份有限公司，廣東 廣州 510663)

電機，俗稱馬達，在電路中用字母“M”表示，是機電一體化的典型產(chǎn)品，它將電能轉(zhuǎn)換為機械能，可作為各類機械產(chǎn)品、電器或自動控制系統(tǒng)的動力源。電機主要分為直流電機、交流電機和其他的特種電機。其中，直流電機包含直流有刷電機、直流無刷電機和步進電機等。本文討論的是最常用的直流有刷電機，簡稱直流電機，其由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子上有磁極(繞組式或永磁式)，轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)嵌有繞組，通電時，繞組導(dǎo)體中通過電流、在磁場中因受力而轉(zhuǎn)動，從而帶動整個轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

直流電機最大的特點是控制簡單，在有控制信號時，電機就轉(zhuǎn)動，除去控制信號后，電機就立即停止轉(zhuǎn)動。但是由于靜電干擾或其他異常因素，會出現(xiàn)MCU程序死掉、程序進入死循環(huán)、程序跑飛等異常情況，致使電機異常轉(zhuǎn)動或電機失控一直轉(zhuǎn)動停不下來，這樣會損壞電機傳動部分，同時對電機也造成一定的傷害。為了避免這些問題的出現(xiàn)，本文在硬件電路部分增加了用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器控制直流電機控制芯片的電源端和增加外部看門狗兩種保護措施，并對這兩種保護措施進行了詳細描述，相應(yīng)給出了實驗波形。

1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器控制直流電機控制芯片電源端

1.1 芯片介紹

1.1.1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器芯片74HC123D

74HC123D為雙可重觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，如圖1所示。其中1CEXT、2CEXT為外接電容端，1Q、2Q為正脈沖輸出端，1、2為負脈沖輸出端為直接清除端 (低電平有效)，1A、2A為負觸發(fā)輸入端，1B、2B為正觸發(fā)輸入端。

74HC123D的輸出脈沖寬度T可由三種方法控制：(1)通過選擇外定時元件C和R值來確定脈沖寬度；(2)通過正觸發(fā)輸入端或負觸發(fā)輸入端的重觸發(fā)延長T；(3)通過清除端的清除使T縮小。74HC123D功能表如表1所示。

表1 74HC123D功能表

1.1.2電機控制芯片TA8428K

TA8428K為直流有刷電機控制芯片，如圖2所示。其中，IN1和IN2為輸入端，OUTA和OUTA為輸出端，VCC和GND為電源和地。TA8428K有四種工作模式，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車和停止，并具有熱保護和過流保護功能。

圖2 TA8428K邏輯圖

TA8428K功能表如表 2所示。其中，H－高電平，L－低電平。

表2 TA8428K功能表

1.2 電路設(shè)計

1.2.1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器部分

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器外圍電路原理圖如圖3所示。其中，MotPow_Ctr(單片機輸出引腳)為74HC123D的輸入 (接1B)，MOTPOWCRL 為 輸 出 (接 1Q)；MotPow_Ctr 為 一 系 列固定頻率的脈沖，在上升沿時，1Q輸出一高電平脈沖，脈沖寬度T的大小由R50和C38的值來計算，如式(1)所示。如果在1Q為高電平消失前再次觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，則可延長輸出脈沖的寬度，但是不能無限制地再次觸發(fā)。有一個參數(shù)為可重觸發(fā)最小時間Tr，其與R50和C38的值相關(guān)，可按式(2)計算。如果兩次觸發(fā)的時間小于Tr，則再次觸發(fā)無效。同時還有一個可重復(fù)觸發(fā)間隔最大時間，該值可以通過測試來得到，如果大于這個時間1B沒有上升沿出現(xiàn)，則輸出端1Q為低電平；

圖3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器外圍電路

其中，K為 0.4；C單位為 pF，R單位為 kΩ。

其中，C單位為 pF，R單位為 kΩ。

電路圖中V19、R49和C31為上電和掉電時的一些保護措施，本文不再詳述，請讀者查閱74HC123D技術(shù)資料。

1.2.2 電機電源部分

電機電源部分原理圖如圖4所示。其中，MOTPOWCRL為74HC123D的輸出端，在74HC123D觸發(fā)時，MOTPOWCRL為高電平3.3V，V21和V22導(dǎo)通，MoPower為高電平+24 V。

圖4 電機電源電路

1.2.3 電機驅(qū)動部分

電機驅(qū)動部分原理圖如圖5所示。其中，MoPower為電機控制芯片8428的電源端；MT1和MT2為輸入端，M+和 M-為輸出端，M+接直流電機正極，M-接直流電機負極。

1.3 軟件處理

(1)定時器產(chǎn)生固定頻率的脈沖。

如圖 3 所示，R=10 kΩ，C=105 pF；根據(jù)式(1)和式(2)可以計算輸出脈沖寬度T=4.1 ms，可重觸發(fā)最小時間Tr=0.47ms，根據(jù)測試得出可重觸發(fā)間隔最大時間為4.1ms。現(xiàn)在只要輸入端1B可重觸發(fā)時間小于4.1 ms即可滿足輸出端1Q恒為高電平。但是，由于電阻電容有個體誤差，且使用一段時間后電阻電容會老化，因此必須留有余量。本文采用了0.5 ms定時，在中斷內(nèi)進行取反操作，每1ms就觸發(fā)一次，這樣輸出端1Q恒為高電平，電機控制芯片電源端為＋24 V。

圖5 電機驅(qū)動電路

(2)電機控制函數(shù)。

在電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)函數(shù)里，打開定時器，輸出方波到74HC123D的1B端，使電機控制芯片電源端為正常工作電壓+24 V；在釋放電機函數(shù)里，關(guān)定時器，停止輸出方波到74HC123D，使其輸出低電平，從而關(guān)閉電機控制芯片的電源。

實驗波形如圖6所示。

2 增加外部看門狗

目前，有些MCU沒有看門狗功能，需增加外部看門狗；有些MCU自帶看門狗，由于集成在芯片內(nèi)，靜電實驗時或者干燥季節(jié)靜電很強時很容易受到靜電的干擾，因此，最好使用外部看門狗。本文使用了美信公司的MAX706TESA。

2.1 看門狗芯片MAX706TESA

圖7 MAX706TESA

2.2 電路設(shè)計

圖8 看門狗電路

2.3 軟件處理

(1)喂狗函數(shù) FeedWD()。

本文采用MAX706TESA看門狗芯片，喂狗時只需滿足FeedWD引腳在1.6 s內(nèi)有狀態(tài)變化即可。故FeedWD()函數(shù)的處理是將FeedWD引腳狀態(tài)取反。其他看門狗芯片或MCU自帶看門狗，喂狗函數(shù)如何處理請參考各自的技術(shù)資料。

(2)主函數(shù) main()。

在 main()主循環(huán)體內(nèi)，調(diào)用喂狗函數(shù) FeedWD()；在一些執(zhí)行時間比較長的命令函數(shù)里，也需要調(diào)用喂狗函數(shù)，也就是說必須滿足1.6 s內(nèi)喂狗一次，否則就是程序設(shè)計問題導(dǎo)致MCU復(fù)位。

當(dāng)單片機正常工作時，F(xiàn)eedWD引腳狀態(tài)不斷變化，RESET引腳為高電平；如果程序跑飛或CPU死掉，F(xiàn)eedWD沒有狀態(tài)變化，1.6 s后RESET為低電平，單片機復(fù)位，關(guān)掉電機。

圖9 直流電機控制系統(tǒng)

本文在直流電機原來控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了兩種保護措施并進行了詳細描述。圖9為改進后的直流電機控制系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)，可以很好地解決一些由于異常因素導(dǎo)致的電機異常轉(zhuǎn)動或者電機轉(zhuǎn)動后停不下來的情況。該改進措施實用性強，可以很方便地移植到其他MCU控制系統(tǒng)中去。

[1]Maxim Integrated Products.MAX706TESA Datasheet[Z].1995.

[2]PHILIPS Semiconaluctors.74HC123D Datasheet[Z].2006.

[3]TOSHIBA.TA8428K Datasheet[Z].2000.