電機(jī)控制芯片PIC16F1508的電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)※

趙波，李玉美

（遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，錦州121001）

電機(jī)控制芯片PIC16F1508的電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)※

趙波，李玉美

（遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，錦州121001）

PIC16F1508芯片是一款高性能、低功耗、高性價(jià)比的8位單片機(jī)。本文簡(jiǎn)單介紹了PIC16F1508芯片的結(jié)構(gòu)和特性，重點(diǎn)介紹了其與電機(jī)控制相關(guān)的可配置邏輯單元和互補(bǔ)波形發(fā)生器模塊。

互補(bǔ)波形發(fā)生器模塊；PWM；可配置邏輯單元；PIC16F1508

引言

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，而且對(duì)電機(jī)控制的精度要求越來(lái)越高，因此，在能耗以及成本盡量降低的情況下，尋求一款功能強(qiáng)大、功耗較低的電機(jī)控制芯片越來(lái)越重要。PIC16F1508芯片作為一款采用XLP（eX-treme Low Power）技術(shù)的8位單片機(jī)，延續(xù)了PIC單片機(jī)一貫采用的精簡(jiǎn)指令集RISC、哈佛雙總線、兩級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu)，而且進(jìn)一步豐富了其外設(shè)特性，在電機(jī)控制領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用。

1 PIC16F1508器件概述

PIC16F1508單片機(jī)采用了XLP超低功耗管理功能，待機(jī)電流僅為25 nA（1.8 V時(shí)，典型值），看門(mén)狗電流僅為300 nA（1.8 V時(shí)，典型值），工作電流僅為30μA/MHz（1.8 V時(shí)，典型值）［1］。

此外，PIC16F1508單片機(jī)還創(chuàng)新性地集成了豐富的獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)，例如互補(bǔ)波形發(fā)生器、可配置邏輯單元、數(shù)控振蕩器、軌對(duì)軌運(yùn)放和高速比較器、高分辨率的PWM、ADC和DAC、有SPI和I2C兩種模式的主同步串行口的MSSP模塊，以及可兼容RS-232、RS-485和LIN的增強(qiáng)型通用同步/異步收發(fā)器EUSART等。PIC16F1508單片機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 PIC16F1508與電機(jī)控制相關(guān)的外設(shè)功能

2.1 PWM模塊

PWM（Pulse Width Modulation）功能即脈沖寬度調(diào)制功能，通過(guò)修改周期寄存器調(diào)節(jié)頻率或者修改占空比寄存器調(diào)節(jié)電壓來(lái)控制逆變器開(kāi)關(guān)的通斷，達(dá)到控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，采用全控型開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制PWM控制方式已經(jīng)成為主流［2］。

圖1 PIC16F1508單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

PIC16F1508單片機(jī)有 4個(gè)PWM模塊，除了共用一個(gè)周期寄存器PR2以外，PWM1～PWM4分別有自己對(duì)應(yīng)的占空比寄存器，這就意味著每一個(gè)PIC16F1508單片機(jī)都可以通過(guò)PWM功能控制4臺(tái)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，最大限度地利用單片機(jī)的資源。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）模塊在目前的單片機(jī)中幾乎都存在，它可以把一個(gè)模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，ADC模塊的存在可以很方便地解決電機(jī)控制中電路電壓的檢測(cè)、電機(jī)反饋信號(hào)的檢測(cè)等難題。

PIC16F1508單片機(jī)有12路10位分辨率的外部輸入端口和3路10位分辨率的內(nèi)部通道，這3路內(nèi)部通道是固定參考電壓、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和溫度指示器通道［1］。此外，同大多數(shù)單片機(jī)內(nèi)置的ADC模塊一樣，可以自動(dòng)采集且可以在休眠模式下進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.3 可配置邏輯單元

Microchip公司創(chuàng)新性地把電路中可能用到的邏輯功能集成到單片機(jī)的內(nèi)部，這就是可編程邏輯單元（Configurable Logic Cell，CLC）。這個(gè)模塊可以提供可超越軟件執(zhí)行速度限制而工作的可編程邏輯，大大地簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，并且由于外部邏輯器件的減少，系統(tǒng)的可靠性得到一定程度的提高。

PIC16F1508單片機(jī)有4個(gè)可編程邏輯單元，該邏輯單元最多可接收16個(gè)輸入信號(hào)，并通過(guò)使用可配置門(mén)將16個(gè)輸入縮減為4條驅(qū)動(dòng)8種可選單輸出邏輯功能之一的邏輯線［1］。輸入源可以是I/O引腳、內(nèi)部時(shí)鐘、外設(shè)輸出、寄存器位等幾種信號(hào)的組合，可以實(shí)現(xiàn)的邏輯功能包括與邏輯、或邏輯、與或邏輯、異或邏輯，以及S-R鎖存器、帶置1和復(fù)位功能的時(shí)鐘控制D型鎖存器等。CLC模塊的簡(jiǎn)化框圖如圖2所示。

為了開(kāi)發(fā)方便，Microchip公司在其官網(wǎng)上發(fā)布了CLC設(shè)計(jì)工具CLC Designer，如圖3所示。在此界面上可以輕松地配置邏輯功能，并且生成C語(yǔ)言代碼或者匯編語(yǔ)言代碼。

CLC模塊使用時(shí)需要注意的問(wèn)題：①如果僅有兩個(gè)信號(hào)做邏輯運(yùn)算，其余的兩個(gè)輸入可以選擇不使能；②所有的輸入信號(hào)必須是已經(jīng)使能的模塊產(chǎn)生的信號(hào)，例如使用PWM2OUT作為一個(gè)輸入信號(hào)，PWM2模塊必須已經(jīng)使能。

圖3 CLC Designer界面

2.4 互補(bǔ)波形發(fā)生器模塊

在電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，安全問(wèn)題是必須要考慮的問(wèn)題，特別是在H橋的驅(qū)動(dòng)電路中，由于電子器件都具有開(kāi)關(guān)時(shí)間，并且“開(kāi)”和“關(guān)”的延時(shí)不同，單片機(jī)的信號(hào)在開(kāi)啟這些元件時(shí)，上下橋臂上的2個(gè)開(kāi)關(guān)管容易出現(xiàn)直通現(xiàn)象，這將引起短路類(lèi)的嚴(yán)重事故［2］，所以在信號(hào)中加入死區(qū)時(shí)間是很有必要的。一般單片機(jī)發(fā)出的信號(hào)是沒(méi)有死區(qū)時(shí)間的，都是在單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路之間加上可以生成死區(qū)時(shí)間的電子元件，但這樣會(huì)使系統(tǒng)的可靠性下降，PIC16F1508單片機(jī)內(nèi)置互補(bǔ)波形發(fā)生器模塊CWG （Complementary Waveform Generator，CWG），可以從選擇的輸入源產(chǎn)生帶死區(qū)延時(shí)的互補(bǔ)波形，這在目前單片機(jī)中還是屬于首創(chuàng)。

CWG模塊的可選輸入源可以是PWM模塊、CLC1模塊的內(nèi)部輸出、數(shù)控振蕩器模塊以及比較器模塊等內(nèi)部輸出，并且CWG模塊可以獨(dú)立選擇輸入源和關(guān)斷源，可選死區(qū)時(shí)鐘源控制，使用獨(dú)立的死區(qū)計(jì)數(shù)器進(jìn)行死區(qū)控制，并且可以進(jìn)行輸出極性控制，其簡(jiǎn)化框圖略——編者注。

CWG模塊使用中的問(wèn)題：①死區(qū)時(shí)間的誤差為1個(gè)時(shí)鐘周期；②CWG模塊的輸出不能內(nèi)部輸出到其他模塊當(dāng)做輸入。

3 CLC功能在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制上的簡(jiǎn)單應(yīng)用

通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究中，無(wú)論選擇的控制芯片是比較高檔的DSP還是比較普遍的51單片機(jī)，在控制外部的開(kāi)關(guān)管工作時(shí)，總是由內(nèi)部發(fā)出一路波形，外部通過(guò)簡(jiǎn)單的邏輯器件進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換，生成可以控制開(kāi)關(guān)管工作的4路或者多路波形。例如參考文獻(xiàn)3中使用PIC16F877作為控制芯片，外部使用的是多個(gè)與非門(mén)的組合完成邏輯轉(zhuǎn)換。參考文獻(xiàn)4中使用TMS320F420為控制核心，外部使用的是一個(gè)D觸發(fā)器和與非門(mén)的搭配完成邏輯轉(zhuǎn)換。本文利用單個(gè)PIC16F1508單片機(jī)發(fā)出四路波形的方法，并且在 Proteus8.0仿真軟件進(jìn)行仿真。

在Proteus8.0軟件界面連接外部電路如圖4所示。其中S、P模擬的是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)出的換相信號(hào)。

圖4 Proteus中的外部電路圖

圖5、圖6所示為CLC2，CLC3模塊配置。

圖5 CLC2配置

使用Proteus8.0仿真軟件進(jìn)行仿真，仿真輸出的信號(hào)波形圖如圖7所示，其中由上至下分別是A、B、C、D四相信號(hào)。

圖6 CLC3配置

圖7 仿真結(jié)果波形圖

不難看出，完全可以用一個(gè)PIC16F1508單片機(jī)發(fā)出控制開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的4路波形，這樣不僅減少了電路板上外部邏輯器件的使用，提高了可靠性，而且能充分利用資源、提高經(jīng)濟(jì)性。

結(jié)語(yǔ)

PIC16F1508單片機(jī)不僅具有豐富的外設(shè)，而且價(jià)格便宜、功耗低。與某些專用電機(jī)控制芯片主要針對(duì)某一類(lèi)電機(jī)而設(shè)計(jì)不同，PIC16F1508可以控制大部分電機(jī)，有待使用者去研究開(kāi)發(fā)，相信憑借較高的性價(jià)比它一定可以在電機(jī)控制領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www. mesnet.com.cn。

［1］Microchip.PIC16（L）F1508/9數(shù)據(jù)手冊(cè)，2014.

［2］王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［3］常甲興，董家璽，王曉明.PIC16F877的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013（3）.

［4］江小軍.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué) ，2006.

趙波、李玉美（碩士研究生），研究方向?yàn)楣I(yè)過(guò)程自動(dòng)化。

Motor Control Design Based on PIC16F1508※

Zhao Bo，Li Yumei

（School of Mechanical Engineering and Automation，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001，China）

The PIC16F1508 chip is a high performance，low power consumption and high performance price ratio 8-bit microcontroller.This paper introduces the structure and features of PIC16F1508，and mainly introduces its configurable logic cell and complementary waveform generator related to the motor control.

complementary waveform generator；PWM；configurable logic cell；PIC16F1508

TP211.5

A

楊迪娜

2014-10-04）