CN102510250A

CN102510250A - 五路pwm电机控制电路

Info

Publication number: CN102510250A
Application number: CN2011103335910A
Authority: CN
Inventors: 张宪起; 李金宝; 谢斌; 王丽丽; 余向阳; 周冬莲; 杜松; 冯业胜; 汪健
Original assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Current assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: CN102510250B

Abstract

本发明公开一种五路 PWM 电机控制电路，包括微控制器、 PWM 控制器、 AD 转换器及 DA 转换器，由微控制器控制 PWM 控制器输出五路 PWM 波形对多路电机进行控制，工作中，通过写入控制量 M 来控制 PWM 波形，控制量 M 用于定义对应的 PWM 波形的正向脉冲占空比和反向脉冲占空比的差值，以控制电机正向驱动时间和反向驱动时间。微控制器能够进行算法运算控制、与上位机进行数据交换和通讯控制；电路由晶体振荡器提供时钟信号；通过 AD 转换器输入外部的模拟控制信号；通过 DA 转换器实现多路模拟信号输出，具有可编程功能；采用基于 LTCC 工艺将各个芯片进行集成，整体电路体积小、精度高，具有结构简单、密封性好和可靠性高的特点。

Description

五路PWM电机控制电路

技术领域

本发明涉及电机控制电路，特别是，涉及一种由微处理器控制PWM控制器实现的五路PWM波形输出的电机控制的集成电路。

背景技术

电动机的类型主要有同步电动机、异步电动机与直流电动机，本发明五路PWM电机控制电路用于控制直流有刷电机。直流有刷电机有定子和转子两大部分组成，定子上有磁极(绕组式或永磁式)，转子有绕组，通电后，转子上形成磁场(磁极)，定子和转子的磁极之间有一个夹角，在定子磁场(N极和S极之间)的相互吸引下使电机旋转。直流有刷电机采用PWM方式控制电机，控制精度高、控制方式灵活。

目前多数PWM控制直流有刷电机的电路只具有多路PWM控制时序功能，在需要算法运算、与上位机通讯、高精度的AD采集，多路DA输出等方面往往不能兼顾。

发明内容

本发明的目的是提供一种五路PWM电机控制电路，其不仅实现了五路PWM电机控制，还具有CPU算法运算和通讯功能，以及16位AD转换和4路12位DA转换功能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种五路PWM电机控制电路，包括微控制器、PWM控制器、AD转换器及DA转换器，

所述的微处理器对从串口获得的数据根据控制需要进行运算，根据运算的结果控制所述的PWM控制器生成用于控制电机的PWM波形信号，所述的微控制器对所述的AD转换器和所述的DA转换器进行控制，

所述的PWM控制器具有五路PWM波形输出，每一路PWM波形输出均有一个N控制信号和一个P控制信号，所述的PWM控制器具有单边调制模式和双边调制模式两种工作模式，两种工作模式由所述的微控制器的一个控制寄存器的控制位MODE进行选择：MODE位为低时选择双边调制模式，所述的微处理器初始化写入控制量M、周期T及死区时间D，工作时需写入控制量M；MODE位为高时选择单边调制模式，所述的微处理器初始化写入控制量M和周期T，工作时需写入控制量M；其中控制量M用于定义对应一路PWM波形的N控制信号或P控制信号的正向输出脉冲占空比和反向输出脉冲占空比的差值，以控制正向电机驱动时间和反向电机驱动时间，每一路PWM波形的控制量M均存于由高8位和低8位组成的16位寄存器中，周期T存于由高8位和低8位组成的16位寄存器中，死区时间D存于由高8位和低8位组成的16位寄存器中，五路PWM波形的输出通道的选通/关闭分别由所述的控制寄存器的五个位进行控制，该所述的控制寄存器的剩余两个位用于设置分频因子，

所述的AD转换器在电机控制过程中需要模拟量输入时，由所述的微控制器读入数据并经内部的控制算法后输出电机控制信号，

所述的DA转换器根据电机控制需要对电机进行模拟控制。

其中，所述的DA转换器的模拟输出经过一个放大器进行四倍放大。

其中，所述的微处理器由一个9.8304MHz的晶体振荡器提供时钟信号。

其中，所述的PWM控制器由一个10MHz的晶体振荡器提供时钟信号。

本发明现对于现有技术的有益效果在于：五路PWM波形输出通道，可实现多路电机控制；由微控制器进行控制，不仅能够进行算法运算，还可与上位机实现数据交换和通讯控制；由两个晶体振荡器为微处理器和PWM控制器提供时钟信号，无需外接时钟电路；通过由微控制器控制的AD转换器输入外部的模拟控制信号；通过由微控制器控制的DA转换器实现多路模拟信号输出，具有可编程功能，电路的控制程序可以在线调试和在线升级；采用基于LTCC基板的厚膜混合集成电路工艺将各个芯片进行集成，整体电路的体积小、精度高，具有结构简单及厚膜集成的密封性好和可靠性高的特点。

附图说明

附图1为本发明的控制电路的原理框图；

附图2为本发明的电路中的PWM控制器的写时序波形图；

附图3为本发明的电路中的PWM控制器的输出波形时序图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明的技术方案作以下详细描述：

如附图1所示，本发明的五路PWM电机控制电路包括微控制器、PWM控制器、AD转换器及DA转换器，微处理器对从串口获得的数据根据控制需要进行运算，根据运算的结果控制PWM控制器生成用于控制电机的PWM波形信号，微控制器对AD转换器和DA转换器进行控制，PWM控制器具有五路PWM波形输出，每一路PWM波形输出均有一个N控制信号和一个P控制信号，PWM控制器具有单边调制模式和双边调制模式两种工作模式，两种工作模式由微控制器的一个控制寄存器的控制位MODE进行选择：MODE位为低时选择双边调制模式，微处理器初始化写入控制量M、周期T及死区时间D，工作时需写入控制量M；MODE位为高时选择单边调制模式，微处理器初始化写入控制量M和周期T，工作时需写入控制量M；其中控制量M用于定义对应一路PWM波形的N控制信号或P控制信号的正向输出脉冲占空比和反向输出脉冲占空比的差值，以控制正向电机驱动时间和反向电机驱动时间，每一路PWM波形的控制量M均存于由高8位和低8位组成的16位寄存器中，周期T存于由高8位和低8位组成的16位寄存器中，死区时间D存于由高8位和低8位组成的16位寄存器中，五路PWM波形的输出通道的选通/关闭分别由控制寄存器的五个位进行控制，该控制寄存器的剩余两个位用于设置分频因子，AD转换器在电机控制过程中需要模拟量输入时，由微控制器读入数据并经内部的控制算法后输出电机控制信号；DA转换器根据电机控制需要对电机进行模拟控制。

其具体地，微处理器选择低功耗AVR微处理器，内含硬件乘法器，支持JTAG端口仿真和编程，两个全双工硬件串口USART，16K字节的FLASH存贮器，支持ISP编程，在项目开发、生产、维护方面都非常方便。1K字节的SRAM，32个通用寄存器，三个数据指针，可以使用C语言编程，512字节的EEPROM存贮器，可以在系统掉电时保存数据。内置上电复位电路(POR)和可编程低电压检测(BOD)复位电路。五种睡眠模式，可以实现非常低的功耗，该微处理器的工作频率9.8304MHz，时钟的精度±50ppm，微处理器根据串口得到的数据，再经过控制需要进行运算，根据运算的结果控制PWM控制器生成PWM波，并且微处理器可以同时控制AD转换器和DA转换器，实现模拟信号输入和输出的闭环控制，达到系统级闭环控制功能；PWM控制器采用专用芯片完成，是PWM输出控制的核心，由微处理器控制PWM控制器完成各种需要的PWM输出控制功能，PWM控制器工作频率10MHz，时钟的精度±50ppm；PWM控制器有两种工作模式，即单边调制模式和双边调制模式。模式的选择由控制寄存器模式控制位MODE进行选择。MODE为低时选择双边调制模式，MODE为高时选择单边调制模式。

在双边调制模式(MODE＝0)下工作时，在初始化时写入控制量M、周期T和死区D，工作时只需写控制量M，输入输出关系如表1所示；

表1双边调制模式的输入输出控制关系

在单边调制模式(MODE＝1)下工作时，在初始化时写入控制量M和周期T，工作时只写入控制量M。为了保证连续两个周期不出现交叠情况，特设置N输出占空比范围为0-98％。P为0-100％，工作输入输出关系如表2所示。

表2单边调制模式的输入输出控制关系

PWM控制器输出周期控制分为两种方式，即固定周期方式和任意编程方式：

固定周期方式下，提供4种输出周期：1000us、500us、100us、50us，由微处理器控制T[1:0]进行控制输出周期，当T[1:0]＝00时，PWM输出周期为1000us，当T[1:0]＝01时，PWM输出周期为500us，当T[1:0]＝10时，PWM输出周期为100us，当T[1:0]＝11时，PWM输出周期为50us。

任意编程方式下，需要微处理器进行写周期寄存器，周期由写入的控制字确定，最长周期可以达到(2¹⁶-1)clk，输出脉冲的占空比可调，低电平脉冲宽度由写入的控制字确定，分辨率为1clk，脉冲宽度可以为1clk～(2¹⁶-32)clk。正反两相输出不交叠，死区最小时间为16clk。输出波形参数由外部写入的控制量M、周期T和死区D确定，周期T和死区D在初始化时写入，当写入新的控制量M，对应新的控制量输出的PWM波形在当前输出周期结束后进行输出波形更新。

PWM控制器复位时，初始状态如下：a)控制寄存器默认值为00H：五路电机完全关闭，所有输出端口为高，电路处于双边调制方式；b)控制量M寄存器默认值为07D0H(2000)，单边调制下正向电机驱动和反向电机驱动信号输出为0％，双边调制下正向电机驱动和反向电机驱动信号输出约为50％；c)死区D寄存器默认最小值为0010H，外部时钟为10MHz时，死区默认值最小值为1.6us，当检测到死区寄存器的值小于最小值时，将按照原有状态输出；d)周期T寄存器默认值为1388H(即5000clk)，外部时钟10MHz时周期默认值为500us。

PWM控制器具有检测控制量输入是否正确的功能，当检测到输入控制量不在40～4000范围时，即若M小于40，则电路自动将M写最小值40，若M大于4000，则M电路自动将M写最大值4000。在双边调制下：如果输入M的值出现

或

的情况，则电路将保持原输出状态不变。

PWM控制器共需4组寄存器：控制量M寄存器、控制CR寄存器、死区宽度D寄存器和周期T寄存器。PWM输出的5路通道，每路通道都有独立的控制量M寄存器，且每个寄存器由高、低8位两个寄存器组成，一共有15个寄存器，寄存器的设置表3所示。

表3 PWM控制器寄存器设置

控制量M寄存器用于定义各通道正向电机输出脉冲占空比和反向电机输出脉冲占空比的差值，以控制正向电机驱动时间和反向电机驱动时间。5路通道每路通道配有2个配置寄存器。各控制量M寄存器的上电复位值为07D0H(2000)，相对应的单边调制模式下P、N都输出为高电平，双边调制模式下P、N输出占空比相等，且都接近50％。周期T寄存器的复位值为1388H(5000)，即在10MHz时钟状态下，周期默认值为500us。死区宽度D寄存器的复位值为0010H(16)，即在10MHz时钟状态下，死区时间默认值为1.6us。控制寄存器(如表4所示)，

表4控制寄存器位信息

/	7	6	5	4	3	2	1	0
									CR	Mode	ClkDiv[1]	ClkDiv[0]	Ch4Cs	Ch3Cs	Ch2Cs	Ch1Cs	Ch0Cs

控制寄存器的说明：Ch0Cs、Ch1Cs、Ch2Cs、Ch3Cs和Ch4Cs控制0-4路通道的选通与关闭：0为关闭，1为选通；ClkDiv[1:0]设置分频因子：00为不分频，01为2分频，10为4分频，11为8分频；Mode控制工作模式：0为双边调制，1为单边调制，控制寄存器的复位为00H，即复位或上电复位后PWM进入复位状态，所有通道关闭，时钟不分频，处于双边调制方式。

PWM控制器的写时序波形图如附图2所示，其中写脉冲WR宽度至少为2clk；PWM控制器的输出波形时序如附图3所示。

上述的AD转换器采用16位量化精度100kHz采样速率AD转换器，模拟输入电压的范围-10V～+10V，由微处理器控制AD读入数据，送给微处理器进行运算，控制PWM输出。此设计特别适用于在PWM电机控制过程中需要模拟量输入闭环控制场合，根据模拟量输入，并经过特定的控制算法，对直流有刷电机进行更加精细和准确的控制；DA转换器采用4路12位的DA转换器，DA转换器本身的输出电压范围0V～2.5V，为了增加输出的电压范围，对4路DA转换器的输出进行了4倍放大，输出的4路模拟信号可以根据PWM电机控制过程中的特殊需要进行模拟控制，实现系统级的控制功能。

本发明的电路采用基于LTCC基板的厚膜混合集成电路工艺实现，即在LTCC基板上组装PWM专用芯片的裸芯片、AVR微处理器芯片的裸芯片、16位AD转换芯片的裸芯片、4路12位DA转换芯片的裸芯片、放大器芯片的裸芯片以及时钟芯片，然后用双列直插式金属外壳密封。整个电路的体积小、精度高，具有结构简单及厚膜集成的密封性和高可靠性的特点。整个工艺过程包括LTCC基板制作，裸芯片键合，金属外壳密封等。

本发明通过在厚膜混合集成电路中集成PWM控制器专用芯片的裸芯片、AVR微处理器芯片的裸芯片、16位AD转换芯片的裸芯片、4路12位DA转换芯片的裸芯片、放大器芯片的裸芯片以及时钟芯片等，实现PWM电机控制的系统级功能，不仅包括高精度的五路PWM电机控制功能，还包括AD输入，4路DA输出，CPU运算和串口通讯等功能，特别适用于多路电机控制。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种五路PWM电机控制电路，其特征在于：包括微控制器、PWM控制器、AD转换器及DA转换器，

所述的DA转换器根据电机控制需要对电机进行模拟控制。

2.根据权利要求1所述的五路PWM电机控制电路，其特征在于：所述的DA转换器的模拟输出经过一个放大器进行四倍放大。

3.根据权利要求1所述的五路PWM电机控制电路，其特征在于：所述的微处理器由一个9.8304MHz的晶体振荡器提供时钟信号。

4.根据权利要求1所述的五路PWM电机控制电路，其特征在于：所述的PWM控制器由一个10 MHz的晶体振荡器提供时钟信号。