論C8051F005單片機的比例電磁鐵控制技術(shù)

　　比例電磁鐵作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用于各種自動化控制系統(tǒng)中；比例電磁鐵的推力大，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，成本低廉，是應用非常廣泛的電—機械轉(zhuǎn)換器[1]；比例電磁鐵的特性及工作的可靠性，對于整個控制系統(tǒng)具有十分重要的影響，是決定控制系統(tǒng)品質(zhì)的關(guān)鍵部件之一。比例電磁鐵作為電—機械轉(zhuǎn)換元件，其功能是將比例控制放大器輸給的電流信號，轉(zhuǎn)換成位移或者力信號輸出。

　　比例電磁鐵適用于直流電壓為24 V比例控制放大器的控制線路中，作為連續(xù)地、按比例地控制系統(tǒng)執(zhí)行元件的運動、速度和方向的動力元件。比例電磁鐵在其額定行程范圍內(nèi)的推力與通入其線圈的電流成正比，可在其他需要作用力自動控制的裝置上作為線性動力元件，如自動油門控制等。當電磁鐵與單片機一起構(gòu)成一個自動控制系統(tǒng)時, 由于電磁鐵的工作電壓較高, 工作電流較大，因此單片機與比例電磁鐵之間接口電路的設計是一個關(guān)鍵。

　　隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，比例電磁鐵的需求量與日俱增，在各個控制領(lǐng)域都有應用。下面介紹比例電磁鐵的控制技術(shù)。

　　1 PWM驅(qū)動的基本原理及特點

　　PWM（Pulse Width Modulation,脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)是利用半導體開關(guān)器件的導通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期來達到變壓、變頻目的的一種控制技術(shù)[2]。也就是用脈沖寬度不等的一系列等幅值的矩形脈沖去逼近一個所需要的電流或電壓信號。

　　PWM驅(qū)動電路，是廣泛應用于高精度控制系統(tǒng)的驅(qū)動形式。這種電路能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍的速度和位置控制，較之常規(guī)驅(qū)動方式具有無可比擬的優(yōu)點。 PWM驅(qū)動電路線路簡單、快速性好、線性度好、效率高的優(yōu)點，使其廣泛應用于測量、通信、功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。本設計利用PWM驅(qū)動電路所需大功率可控器件少、調(diào)速范圍寬、快速性好、效率高，功耗低的特點，用C8051F005單片機直接輸出的PWM信號經(jīng)過驅(qū)動電路，然后配合合適的控制算法（PID算法或模糊控制算法等）去控制比例電磁鐵，可實現(xiàn)離合器的精確控制，對于電控離合器控制系統(tǒng)的研究有很好的參考價值。

　　2 比例電磁鐵與單片機接口電路

　　2.1 單片機概述

　　本控制系統(tǒng)采用的單片機是美國Silabs公司推出的C8051F005型單片機[3]。它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，有1個真正的12位多通道ADC、1個可編程增益放大器、2個12位DAC、2個電壓比較器、1個電壓基準、1個具有32 KB Flash存儲器并與8051兼容的微控制器內(nèi)核，還有硬件實現(xiàn)的（不是在用戶軟件中用位操作模擬）I2C/SMBus、UART、SPI串行接口和1個具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA），以及4個通用的16位定時器和4字節(jié)寬的通用數(shù)字I/O端口。C8051F005有2 304字節(jié)的RAM，執(zhí)行速度可達25 MIPS；具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、WDT和時鐘振蕩器，是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)，能有效地管理模擬和數(shù)字外設。Flash存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。MCU可以關(guān)閉任何一個或全部外設，以降低功耗。

　　C8051F005型單片機可在工業(yè)溫度范圍（－45～+85 ℃）內(nèi)用2.7～3.6 V的電壓工作。端口I/O、RST和JTAG引腳都容許5 V的輸入信號電壓。

　　2.2 PWM信號輸出及比例電磁鐵驅(qū)動電路

　　C8051F005 MCU有一個片內(nèi)可編程計數(shù)器/定時器陣列PCA。PCA包括1個專用的16位計數(shù)器/定時器時間基準和5個可編程的捕捉/比較模塊。時間基準的時鐘可以是下面的4個時鐘源之一：系統(tǒng)時鐘/12、系統(tǒng)時鐘/4、定時器0溢出或外部時鐘輸入（ECI）。

　　每個捕捉/比較模塊都有自己的I/O線（CEXn線），當允許它工作時，CEXn線通過功能選擇開關(guān)連到端口的某個引腳。每個捕捉/比較模塊都有4種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、脈沖寬度調(diào)制（PWM）。PCA捕捉/比較模塊的I/O和外部時鐘輸入可以通過數(shù)字交叉開關(guān)連到 MCU的端口I/O引腳。