摘要 自動控制系統中，由微處理器控制的比例電磁鐵作為執行器的應用越來越廣泛。本設計是一個由C8051F005單片機控制的接口電路，采用PWM技術對比例電磁鐵進行控制；簡單實用，能滿足自動控制系統中執行器的控制精度高、響應快的要求，具有一定的實用價值。
關鍵詞 C8051F005比例電磁鐵控制PWM
引言
比例電磁鐵作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用于各種自動化控制系統中；比例電磁鐵的推力大，結構簡單，維護方便，成本低廉，是應用非常廣泛的電—機械轉換器[1]；比例電磁鐵的特性及工作的可靠性，對于整個控制系統具有十分重要的影響，是決定控制系統品質的關鍵部件之一。比例電磁鐵作為電—機械轉換元件，其功能是將比例控制放大器輸給的電流信號，轉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，作為連續地、按比例地控制系統執行元件的運動、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成一個自動控制系統時, 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鍵。
隨著微電子技術和計算機技術的發展，比例電磁鐵的需求量與日俱增，在各個控制領域都有應用。下面介紹比例電磁鐵的控制技術。
1 PWM驅動的基本原理及特點
PWM（Pulse Width Modulation,脈沖寬度調制）技術是利用半導體開關器件的導通和關斷，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[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驅動電路，是廣泛應用于高精度控制系統的驅動形式。這種電路能夠實現寬范圍的速度和位置控制，較之常規驅動方式具有無可比擬的優點。 PWM驅動電路線路簡單、快速性好、線性度好、效率高的優點，使其廣泛應用于測量、通信、功率控制與變換的許多領域中。本設計利用PWM驅動電路所需大功率可控器件少、調速范圍寬、快速性好、效率高，功耗低的特點，用C8051F005單片機直接輸出的PWM信號經過驅動電路，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，可實現離合器的精確控制，對于電控離合器控制系統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兼容的微控制器內核，還有硬件實現的（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器/定時器陣列（PCA），以及4個通用的16位定時器和4字節寬的通用數字I/O端口。C8051F005有2 304字節的RAM，執行速度可達25 MIPS；具有片內VDD監視器、WDT和時鐘振蕩器，是真正能獨立工作的片上系統，能有效地管理模擬和數字外設。Flash存儲器還具有在系統重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新8051固件。MCU可以關閉任何一個或全部外設，以降低功耗。
C8051F005型單片機可在工業溫度范圍（－45～+85 ℃）內用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動電路
C8051F005 MCU有一個片內可編程計數器/定時器陣列PCA。PCA包括1個專用的16位計數器/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：系統時鐘/12、系統時鐘/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：邊沿觸發捕捉、軟件定時器、高速輸出、脈沖寬度調制（PWM）。PCA捕捉/比較模塊的I/O和外部時鐘輸入可以通過數字交叉開關連到 MCU的端口I/O引腳。
由PCA輸出8位PWM信號（占空比可變）程序如下：
＄ include (c8051F005.inc)
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 0073H；定時器3的中斷入口
LJMP INTERT33
MAIN:
MOV WDTCN, #0DEH；禁止看門狗定時器
MOV WDTCN, #0ADH
MOV OSCICN, #84H；選擇內部振蕩器為12 MHz
MOV XBR0, #08H；選擇CEX0引腳連到P0.0
MOV XBR2, #40H；允許功能選擇開關
ORL PRT0CF, #00000001B；選擇P0.0為推拉方式
MOV TMR3RLL, #0B0H；給定時器3低字節賦初值
MOV TMR3RLH, #0A0H；給定時器3高字節賦初值
MOV PCA0CPH0, #0FFH；給PCA捕捉模塊高字節賦初值
MOV PCA0CPL0, #0FFH；給PCA捕捉模塊低字節賦初值
MOV PCA0MD, #08H；選擇PCA的時鐘源為系統時鐘，禁止CF中斷
MOV PCA0CPM0, #42H；選擇8位脈寬調制輸出方式，并啟動開始
MOV PCA0CN, #40H；允許PCA工作
MOV IE, #080H；CPU開中斷
MOV EIE2, #1；T3開中斷
MOV TMR3CN, #00000110B；啟動T3工作，T3使用系統時鐘源
SJMP ＄
INTERT33:
MOV A, TMR3CN；清除T3的標志位TF3
ANL A, #7FH
MOV TMR3CN, A
DEC PCA0CPH0；占空比的改變
RETI
根據系統設計需要，通過修改PCA0CPH0可以得到不同占空比的PWM信號。
本控制系統采用C8051F005 單片機的PCA由軟件實現8位分辨率的PWM輸出。PWM信號通過CEXn線由功能選擇開關連到MCU的端口I/O引腳輸出，PWM輸出信號通過驅動電路可驅動比例電磁鐵。模塊的捕捉/比較寄存器PCA0CPLn和PCA0CPHn中存放PWM輸出信號占空比高電平時間值。如果需要改變占空比，可在運行中改變PCA0CPHn的值，比例電磁鐵的推桿位移與PCA0CPHn的值成比例。
在驅動電路中需要將PWM輸出的電壓信號轉換為比例電磁鐵的控制電流信號，而且要保證較好的比例特性關系。利用場效應管的轉移特性[4]，當場效應管的漏源極之間的電壓VDS保持不變時，漏極電流ID與柵源之間電壓VGS的關系稱為“轉移特性”，其表達式為：
本控制電路采用了大功率場效應晶體管IRL3803，其電流輸出足夠驅動比例電磁鐵的動作。IRL3803的漏極電流ID和柵源電壓VGS具有很好的線性關系，將柵極與C8051F005單片機的P0.0口（通過軟件編程PCA選擇的PWM信號輸出引腳），將IRL3803的漏極與比例電磁鐵相連。本電路中，比例電磁鐵是GP80，其額定吸力是120 N，行程為8 mm，額定電壓為24 V。
在進行控制時，通過改變輸入到比例電磁鐵開關電信號“占空比”來實現控制電流的大小。占空比越大，通過電磁鐵線圈的控制電流越大，控制輸出的位移也越大。
比例電磁鐵驅動電路如圖1所示。在驅動電路中，R1是限流電阻，使IRL3803管導通；D1是導向二極管，給IRL3803管提供正確的電壓極性；二極管D2起保護作用，避免過壓時損壞比例電磁鐵。比例電磁鐵由24 V電壓直接供電。
圖1 比例電磁鐵驅動電路
結語
C8051F005單片機的集成度高，外圍電路少，其高速執行指令的特性能精確控制比例電磁鐵；C8051F005內核與普通51系列兼容，且指令簡單易學，可縮短系統開發周期。比例電磁鐵作為電—機械轉換器件，已經得到廣泛的應用。基于C8051F005單片機的比例電磁鐵控制系統能達到精度高、穩定性好的要求，硬件電路簡單、工作可靠。在應用系統中，根據需要直接由單片機的I/O口輸出固定占空比或可變占空比PWM信號，配以一定的控制算法，軟件編程清晰且容易實現，具有很好的推廣價值。
參考文獻
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[4] 楊素行.模擬電子技術基礎簡明教程[M]. 第2版.北京:高等教育出版社,1999.
[5] 王尚勇,楊青.柴油機電子控制技術[M].北京:機械工業出版社,2005.
任桂周(研究生),主要研究方向為汽車電子技術；
曲金玉（副教授），主要研究方向為汽車電器與電子技術。
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