直流电机驱动器系统设计

SHANDONG毕业设计说明书直流电机驱动器系统设计学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 高 超 学 号： 0812105076 指导教师： 孟天星 2012 年 6 月摘 要摘 要本设计由两级计算机系统实现对直流电机驱动与控制。两级计算机系统中上位机采用通用计算机，下位机采用单片机控制。系统按以下步骤工作进行工作：上位机通过通讯接口给单片机写入系统命令，单片机接受命令并对命令信号进行初步处理，结合反馈电路传来的电机运行参数，产生新的控制信号传输给驱动电路，实现电机转速控制。其中直流电机的调速采用增量式数字PID算法以PWM方式实现，PWM信号则由单片机软件程序产生。信号反馈环节有专门的反馈电路实现，利用光电编码盘采集反馈电机的速度信号，而电流信号则由H桥上的特定电阻分压产生。电机驱动采用H桥驱动电路实现，H桥电路的驱动工作由两片专门的驱动芯片IR2112S完成。因为RS-232通讯接口操作简单，十分常用，本设计串行通讯接口选用RS-232接口，并由MAX232芯片实现电平转换。为组成一个完整的单片机控制系统，还设计了晶振电路、复位电路、及电源电路等基本电路，配合单片机系统完成对直流电机的驱动任务，并挺高系统的可靠性。本系统的程序主要包含一个主循环体程序、PID算法控制程序、中断服务程序以及其他某些控制程序。各程序在主程序的协调控制下通过中断方式各自完成自己的程序循环，配合完成系统驱动控制任务。关键词：直流电机，H桥驱动电路，IR2112S，PWM，MAX232IAbstractAbstractThe design consists of two computer systems for DC motor drive and control.Of the two computer systems, the host computer is a general purpose computer(PC), and the lower computer is a microcontroller.The system work as the follow steps:First,the host computer sends massage to the microcontroller,and then the microcontroller accepts the commands and processes them.Combined with the motor operating parameters coming from the feedback circuit, the microcontroller will generate new control signals and transfers them to the drive circuit, completing the motor speed control.In which,the DC motor speed control method is incremental digital PID algorithm PWM mode. PWM signal generated by microcontroller software program. Signal feedback link dedicated feedback circuit. I use the optical encoder disk collecting feedback motor speed signal. The current signal is collected from the specific resistance voltage value of the H-bridge circuit.H-bridge driver circuit completes the DC motor-driven tasks. And H-bridge circuit is driven by the two specialized driver chips IR2112S. I designed the serial communication interface as RS-232 interface,as it is simple and it is the most common communication interface.I will use the MAX232 chip complete the level conversion.In order to form a complete single-chip control system,I also designed some basic circuits including crystal oscillator circuit, reset circuit and power circuit. These circuits coordinate with the SCM system to drive the DC motor rotation.And this can also enhance system reliability. This system mainly includes a main loop body program, a PID control algorithm program, an interrupt service program and some other control program. Under the control of the main program coordination, each program complete their own program loop by means of interrupt working manner.,achieveing the control of the system.Keywords: DC motor ,H-bridge driver circuit ,IR2112S ,PID ,MAX232- 5 -目 录目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 引 言11.1 课题研究意义11.2 直流电机驱动器的国内外研究现状2第二章 系统方案设计32.1 任务要求与性能指标32.2 系统设计方案32.2.1 硬件设计方案32.2.2 软件设计方案4第三章 系统硬件设计63.1 直流电机的性能特点与调速方法63.1.1 直流电机结构组成63.1.2 常用直流电机调速方法73.1.3 PWM调速方法83.2 电机驱动系统的设计93.2.1 单片机与驱动器件的选型93.2.2 H桥驱动电路113.3 反馈电路的设计133.3.1 反馈电路的器件选取133.3.2 光电编码盘实现速度反馈143.3.3 电流环电路的设计153.4 通信电路的设计153.4.1 串行通信端口的器件选取153.4.2 RS-232C标准通信接口163.4.3 MAX232芯片实现电平转换173.5 单片机最小系统的设计183.5.1 晶振电路183.5.2 复位电路193.5.3 电源电路193.6 系统电路图21第四章 系统软件设计234.1 系统主程序234.1.1 主程序流程图234.1.2 主程序的C语言编程244.2 驱动程序244.2.1 PID调速程序244.2.2 串行通信中断服务程序264.3 上位机通信程序28结 论29参考文献30致 谢31附录一 系统C语言程序清单32附录二 系统整机电路图39第一章 引 言第一章 引 言1.1 课题研究意义工业电动机按工作电源分类可分为直流电动机和交流电动机。直流电机具有很好的起动和调速特性，一直很受使用者的青睐1。特别是近年来随着电子电气技术的不断发展，直流电机应用技术也得到了长足的发展，本设计就是基于这一技术进步和社会需求进一步探讨直流电机驱动技术的实现。本课题主要研究中小型直流电动机的驱动与控制的实现，便于将直流电机驱动技术更好的应用到生产生活中，提高控制的可行性。直流电机驱动系统的性能好坏直接影响到电机的调速与控制效果，驱动系统需要认真设计。目前的直流电机控制技术常见的有以下几种情况：第一种直流调速系统是用恒定的直流电压给直流电动机电枢供电，调速则是通过改变电枢回路电阻来实现的。这种调速控制方法具有简单易行、价格低廉的优点，但也有效率低、机械特性偏软、宽范围内平滑调速性能不好确定，因此这种方法现在已经很少采用了。第二种调速方法是发电机-电动机系统调速方法，该方法有优良的调速性能，有较宽的调速范围、具有比较小的转速变化率和调速平滑。但是发电机-电动机调速系统也具有体积大、维修困难等各种缺点。第三种调速控制方法是使用汞弧变流器调速的方法，该方法会产生水银蒸气，这对人体是有害的。还有目前最为常用的晶闸管整流调速方法。技术的提高与普及使电机控制技术应用到生活的各个领域，如自动跟踪雷达，火炮瞄准系统，惯性导航，卫星姿态控制等系统中都有直流电机驱动技术的实际应用。此外，工业加工中心，数控机床，机器人工业，也都用到了直流电动机控制技术。还有我们与生活中息息相关的计算机和办公设备中的各种磁盘、光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机，机械变焦的数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等也都用到了这项技术。可以说，直流电机驱动技术发展到目前已经有了比较普成熟的理论。特别是近年来出现的FPGA/CPLD，DSP技术使电动机驱动控制技术迈上了一个新的台阶。MOSFET和IGBT的使用使得控制更容易，控制速度更迅速。全控型功率器件逐渐成为驱动电路中控制器件的主流。脉宽调制即PWM控制方法在直流电机调速领域得到了广泛应用。1.2 直流电机驱动器的国内外研究现状世界上的主要电气公司都是为我们所熟知的，这些公司的产品和技术一直在机电设备控制领域处于领先地位。如美国的通用电气公司，德国的西门子、AEG公司，日本的日立、东芝、三菱机电公司，瑞典的ABB公司等；这些公司都已经开发出了数字直流调速装置，这些公司都有了成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品2。我国的电气控制技术也紧随世界趋势的发展，特别是新中国成立以来的近几十年中，相关技术更是得到了长足的发展。目前，晶闸管驱动的直流调速系统已经在我国国民经济各部门得到广泛的应用。我们国家在直流调速系统的研究领域取得了不错的研究成绩:如最优控制，补偿PID控制，模糊控制等领域都有相关的理论和项目出现。综观我国电机控制技术的全局，我认为我国的电气控制技术将在一段时间内向着PWM控制技术方向发展。我国的电机控制技术起步较晚，很多技术都是走在发达国家后边的，目前我们的大部分数字化控制直流调速装置都需要进口进口，很多大型的数控设备、加工中心等设备上常常印有西门子、三菱公司的标志。这些进口设备往往价格十分昂贵，这也给国产数字控制直流调速装置留出了发展空间。鉴于此，我国的很多高校或科研单位都在这方面做有研究。本课题也是在这种条件下对直流电机驱动原理与设计做了相关研究。第二章 系统方案设计第二章 系统方案设计2.1 任务要求与性能指标本课题要求设计完成一个直流电机驱动系统，具体的设计要求如下：1、系统可以实现对不同电压（5V48V）直流电机的速度环控制及正反转控制。2、系统可以实现对电机的转速、正反转控制。3、该控制系统可实现两级控制，两级计算机系统即上位机（PC机）和下位机（单片机）。简单地说就是系统可以实现上位机与单片机之间的串行通信。4、系统可以实现手动复位，防止系统进入死程序而失去控制。直流电机的转速控制是本设计的设计核心，设计要求系统的性能要达到以下指标：1、首先要求系统具有较好的稳定性，能够独立完成控制任务，并可排除一些常见的外界干扰。2、其次，要求系统能实现电机的正反转、起动、停车、加速、降速控制，使电机维持在稳定转速，电机电压5V48V不等电压的直流电机，调速范围在正负6000转之间。3、系统能够实现对直流电机的连续控制。2.2 系统设计方案2.2.1 硬件设计方案结合系统的性能指标设计要求与，该直流电机驱动系统需要系统控制中心（单片机）、驱动电路、反馈电路、串行通讯电路、电源电路、以及基本的晶振电路、复位电路等模块3。本控制系统主要的设计思想是：以单片机作为系统的控制中心，单片机需要完成的任务有（1）给驱动电路下发驱动信号，确保驱动电路能够准确驱动电动机的运转，使转速维持在规定转速范围内，并能实现电动机正反转控制。驱动信号主要是指PWM信号，本系统的PWM信号是由软件编程实现的，具体程序将在第四章系统软件设计中详述。（2）单片机还应该能够对直流电机的运行参数进行采集，需要采集反馈的运行参数有两个，一是电机的实时转速，二是电机的电枢电流。这必然要求电动机能够处理反馈信号，能够进行模数转换，设计采用Atmel公司的高性能单片机AT90S8535作为核心控制器，其内部置有8通道10位A/D转换器，不必选用专门的A/D转换芯片，这样可以简化外围电路的设计。（3）单片机控制核心能够实现与上位机之间的串行通信功能，它能够接受上位机传给的信号，经处理后传给各个单位，又能够将收集来的各种信号特别是电动机运行参数传回给上位机。系统结构图如图2-1所示。图2-1 系统主体结构图系统驱动电机的执行机构是驱动电路，驱动电路采用H桥驱动电路，驱动信号则是单片机发来的PWM信号。电路将设置采集电机转速的光电编码盘和采集电机绕组电流的小值采样电阻，该采样电阻接在H桥电路中。为实现与上位机之间的串行通信功能，系统电路将设计串行通信电路，通信接口设计为目前常用的标准RS-232C接口，方便上位机与单片机的连接。此外，还将设计晶振电路、复位电路、电源电路等基本外围电路，构成单片机最小系统详细的设计原理与设计方案将在第三章系统硬件电路中详细论述。2.2.2 软件设计方案直流电机驱动器的软件理论上应当包括单片机程序和上位机上运行的程序。其中，单片机程序是系统的主要程序，上位机程序主要是实现串行通信，将任务传送给单片机执行。单片机要完成的任务很多，有驱动任务、通信任务、PWM脉波的产生任务、速度检测与控制任务等。本设计将主要对单片机的程序进行设计，控制软件将采用模块化程序结构。由自动控制原理的相关知识可知，常用的调节算法有比例微分（PD）调节还有比例-微分-积分（PID）调节方法，考虑到按照比例、积分、微分进行控制的PID控制器相对来说结构简单，参数易于调整，适应性广，能较好地控制模型不准、参数变化较大的控制对象，并且一般都能得到满意的控制效果。本设计将采用PID调节方法进行系统软件设计，具体的程序流程图将在第四章详细论述，程序在附录一C语言程序清单中给出。第三章 系统硬件设计第三章 系统硬件设计3.1 直流电机的性能特点与调速方法3.1.1 直流电机结构组成直流电机主要有定子、转子、换向器等关键部件组成，定子是由许多永磁体组成的主磁极，转子上则装设电枢铁心4。定子与转子之间有一定的气隙，叫做气隙。两个圆弧形的铜片为换向片，两片换向片之间互相绝缘，他们共同构成的整体叫换向器。换向器的作用给电枢线圈供电，当电枢旋转时，线圈通过换向片和电刷与外电路接通，并达到了电流换向的目的。图3-1给出了两极直流电机的结构模型模型。图3-1 直流电机结构模型在图3-1中，当直流电源加在电刷A、B之间时，线圈abcd中就会有电流通过。如上图（a）中，导体ab处于N极之下，电流方向由a流向b；导体cd正对N极时，电流方向由c流向d。处于磁场中的线圈会受到电磁力的作用，所以，当加到直流电机上的电流方向一定时，根据左手定则可知电机线圈将受到一定方向的电磁力矩。电刷和换向器实现了电枢绕组电流的换向，使电机转子产生方向不变的电磁转矩。这就是直流电机的运行原理。3.1.2 常用直流电机调速方法直流电机的转速与其他参量之间具有以下稳态关系： （1）(1)式中，n表示电机转速，U为电枢端电压，I为电枢内电流，R为电枢回路总阻值，为励磁磁通，Ke 为电机的电动式系数。其中，Ke是常数，电I是有负载决定的，有公式可知调节电机转速有三种方法：1.改变电枢电压调速；2.改变励磁绕组电压，从而改变励磁磁通进行调速；3.改变电枢回路的电阻调速方法。而其中最为常用的是调压调速，即改变电枢电压的调速方法。PWM调速方法就是通过调整PWM脉波改变平均电压的一种调压调速方法。由于PWM调速方法有很多优点，比如：软件开发周期短、抗噪性能强、执行速度快、可扩展能力强、硬件成本较低、系统体积小、功耗低等，因此PWM调速技术在很多领域得到了普遍应用，该技术值得在许多设计应用中推广。图3-2为双闭环调速系统结构图。图3-2 双闭环调速系统结构图按照电机控制器的结构不同，直流电机调速系统可分为单闭环直流调速系统和双闭环直流调速系统。单闭环即系统的反馈控制环仅有速度换，双闭环则包括速度环和电流环。按照课题的设计指标，本设计采用的的直流调速方法为双闭环调速。3.1.3 PWM调速方法1、PWM调速原理PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，它使用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦波5。如图3-3所示。 图3-3 PWM脉冲宽度调制占空比是指脉波高电平的持续时间所占整个周期的比例。既有以下公式： （2）当占空比大时，对应输出的PWM脉波中高电平所占比例就大，相应的H桥电路中MOS管导通的时间相对长，电机获得的电压时间长，转速相应的较快；相反，当占空比较小时，对应的电机转速就较慢。PWM直流电机调速的具体原理就是利用这种不同PWM脉波对应不同的平均电压，从而对应不同的电机转速而工作的。2、PWM脉冲的产生PWM的产生方法可认为有两种，一种是利用硬件电路产生PWM脉波，这需要两片74HC190和两片74HC85共同完成，这种方法产生的PWM分辨率约为1%。许多微控制器内部都包含有PWM控制器，例如AVR单片机，内部集成了PWM的产生功能。另一种就是比较常用的软件法，简单地说就是通过软件编程使单片机输出持续时间、占空比不断变化的高低电平，从而产生PWM脉波。软件法产生PWM脉波大体按以下过程进行：先是初始化程序，定时器计时开始，TCNT0不断增大，并按照PWM周期进行计数。再是定时器内的计数值重复与输出较寄存器内的预设调制值进行比较，以至两个值匹配时，PWM输出就会产生跳变。当这两个值第二次匹配时或者定时器周期结束时，会产生第二次输出跳变。这样系统输出周期与比较寄存器内的值成比例的脉冲信号。在比较单元中重复完成计数、匹配输出的过程，就产生了PWM信号。3.2 电机驱动系统的设计3.2.1 单片机与驱动器件的选型1、控制核心单片机的选取系统的控制核心部件就是单片机部分，根据系统的设计要求与性能指标，可以对系统器件进行选型，使所设计的电路既能满足设计要求，确保系统的稳定性与可靠性，又要尽可能降低花费。为了简化外围电路，单片机采用Atmel公司的高性能AVR单片机AT90S8535，其内部自带8通道10位A/D转换器，不用专门设计A/D转换电路。AT90S853单片机是Atmel公司生产的高性能芯片，属于AVR系列单片机。AVR单片机是Atmel公司1997年推出的RISC单片机，有多个系列：ATtiny，AT90及ATmega分别为相应的低、中、高档产品。AT90S8535单片机是AVR单片机中内部接口丰富、功能比较全、性能价格比高的一个品种。AT90S8535单片机的主要性能特点是具有先进的RISC精简指令集， 32个I/O口，输出驱动能力强，灌电流可达40mA，八路10位输出和两路10位、一路8位PWM输出，内置看门狗定时器、抗干扰能力强，可C语言编程、易于移植，主频高、运行速度快，具有SPI同步串行接口。由AT90S853单片机的这些特点完全本课题的设计要求和性能指标。AT90S8535芯片的引脚图如图3-4所示。图3-4 AT90S8535单片机芯片引脚图2、驱动电路器件选型电机驱动电路需要两片半桥驱动芯片，经过查阅相关资料，我决定采用两片IR2112S芯片来完成对H桥电路的驱动任务6。IR2112S芯片引脚图如图3-5所示。图3-5 IR2112S芯片引脚图IR2112S是高电压、高放大功率带独立推免放大器的MOSFET驱动芯片，为自举工作方式，门驱动器的供电范围从10v到20V。IR2112S采用闩锁抗干扰CMOS制造工艺16引脚双列直插封装。由两片IR2112S即可驱动四个MOS管，完成H桥电路的驱动任务。3.2.2 H桥驱动电路在本设计中，完成电机驱动任务的电路是驱动电路，为实现电机的正反转控制，选用控制中常用的H桥驱动电路作为驱动电路7。H桥驱动电路的名称是根据电路的形状得来的，H桥驱动电路的组成如图3-6所示。 图3-6 H桥驱动电路对角的两个MOS管分别同时导通能够控制电机电流方向，从而控制电机的旋转方向。MOS管即功率场效应管，MOS管进行电路的设计是因为它具有开关速度快、损耗低、驱动功率小、无二次击穿等优点。四个MOS管旁边分别对应设置了四个快恢复二极管3N246，它们的作用是保护场效应管，防止场效应管在电机突然反相时导致MOS管的反向击穿。3N246是快恢复二极管的一种型号，常用于桥式整流电路中作为场效应管的保护电路。这样，由单片机产生的PWM脉波经驱动芯片的作用后相应地传送到位于对角线位置的一组场效应管上，直流电机就实现了不同方向的转动。H桥电路的上下臂都是选用四个IRF540和四支快恢复二极管3N246搭建而成，具体的工作方式为双极性可逆驱动。在桥电路工作时，为了降低MOS管的功率损耗，应让他们工作在饱和导通状态。1、IR2112S芯片介绍PWM脉波产生后，由于其驱动动能力不足以带动MOS管工作，PWM波不是直接接到场效应管上完成驱动任务的，而是经过的放大后才接至场效应管上完成驱动任务的。表3-1 IR2112S芯片的引脚及功能序号符号功能直流电压（V）序号符号功能直流电压（V）1LO低边输出电压13.969,10NC空脚1.352COM低边返回011VCC逻辑电源电压14.083VCC低边固定电压14.0512HIN高边门驱动输出对应的逻辑输入，相位输入0.424,5NC空脚1.2613SD截止逻辑输入06VS高边浮动供电偏置电压0.4814LIN低边门驱动输出对应的逻辑输入，相位输入11.227VB高边浮动供电电压15.0815VSS逻辑提供偏置电压08HO高边浮动输出电压0.4916NC空脚1.2IR2112S芯片是高压、高速推挽式驱动器，其主要任务是放大PWM脉波信号，驱动场效应管的导通。该芯片16个引脚及其功能如表3-1所示。H桥驱动电路中要用到两片IR2112S，每个芯片控制H桥中处于“对角”位置的一组场效应管，使这组场效应管同时导通从而将电机接入电源电路，分别控制电机的正反转。而两片芯片是不能同时工作的，为防止两芯片同时工作而使H桥电路误导通，在IR2112S芯片的前一级还设置了选择电路。在下图3-6IR2112S芯片的具体信号连线中，只有在HIN或LIN的其中一个信号和PWM信号同时作用时，相应的IR2112S芯片才会使能工作。IR2112S芯片的16个引脚中要用到其中的11个，除去电源VCC、接地VSS外，HIN与LIN高电平输入与低电平输入，HO与LO分别是高电平输出与低电平输出，此外还要用到VB、VS、COM引脚，它们分别提供场效应管的高边浮动供电电压、高边浮动供电偏置电压和低边返回信号。2、驱动部分电路图按照上述内容中各种器件的选型，增加四个与门逻辑器件，把IR2112S芯片与单片机相连接，在将驱动芯片与H桥电路连接起来，就构成了驱动电路部分的连线图，驱动部分电路图如图3-7所示。图3-7 驱动电路连线图3.3 反馈电路的设计3.3.1 反馈电路的器件选取反馈电路部分需要采集两种信号，一个是电机的转速信号，另一个是电机的电枢电流信号。转速信号采用光电编码盘获取，光电编码盘分为绝对式光电编码盘和增量式光电编码盘，考虑到增量式光电编码盘是专门用来测量转动角位移的，本设计采用增量式光电编码盘来采样转速信号8。电机的电枢电流由接入H桥电路的小值采样电阻获得。光电编码盘采样获得的信号由SN74HC74进行整形。3.3.2 光电编码盘实现速度反馈电机的速度控制有单闭环（速度环）控制和双闭环（速度换、电流环）控制，为了完成上述两种信号的反馈工作，需要设置特定的信号采集、反馈电路。本设计的速度环采用光电编码盘进行速度信号反馈，电流环采用H桥电路内的小值采样电阻获得。光电编码盘是一种将测得的角位移转换为脉冲形式信号输出的数字传感器。光电编码器可分为绝对式和增量式两种，增量式编码器将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转换成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。因为增量式编码器具有在转轴旋转时有相应的脉冲输出，且其计数起点可任意设定，能实现多圈无限累加和测量的特点，和原理构造简单、机械平均寿命长、分辨率高、抗干扰能力强、信号传输距离长、可靠性较高等优点。这里采用增量式光电编码器来采样转速信号。增量式广电编码器的原理图如图3-8所示。图3-8 增量式光电编码器原理光电编码器的工作原理是光电编码盘绕轴转动，因为编码盘上其上有环形刻线，当编码盘以不同转速绕轴转动时，光电接收器上就会接到不同的脉冲信号，此信号的频率与转速成正比。接收器的工作是感受光盘转动所产生的变化，并将光变化转换成相应的电变化，再把低电平信号上升到较高电平，经过内部电路的处理之后，最终输出没有干扰的方形脉冲。3.3.3 电流环电路的设计双闭环控制系统中，另一个需要反馈给控制器的信号是电机的电枢电流信号，本设计具体的实现方法是利用H桥电路中的一个小值电阻的分压作为电流环的反馈信号。该信号的大小电枢电流成正比，具体电路如图3-9所示。图3-9 H桥驱动电路电流检测3.4 通信电路的设计3.4.1 串行通信端口的器件选取为把系统的串行通信接口设计为通用的RS-232C接口9，单片机与PC机之间的信号需要由MAX232芯片进行电平转换，确保串行通信的顺利进行，MAX芯片的引脚图如图3-10所示。 图3-10 MAX232芯片引脚图通信电路是单片机与上位机实现数据与信息交流的通信接口，常用的通信方式有串行通信和并行通信两种。串行通信是指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。串行通信只要少数几条线就可以完成信息交换。很适用于用于计算机计算机通信或计算机外设之间的远距离通信。并行通信，数据的各个位同时传送，可以以字或字节为单位并行进行。并行通信速度快，但用的通信线多、成本高，故不宜进行远距离通信。考虑到本设计是要实现计算机与单片机之间的数据传送，可以使用成本较低的、适于较远距离传送的串行通信来完成。以下介绍标准的串行通信方法。3.4.2 RS-232C标准通信接口RS232C是1969年有电子工业协会（EIA）公布的电气标准，其中RS是推荐标准（recommended standard）的缩写10。9针串口的图示如图3-11所示：图3-11 RS232C通信接口及引脚图该标准的用途是定义数据终端设备（DTE)与数据通信设备（DCE）接口的电气特性。简单地说，RS232C 通信协议是一个不平衡电平协议，它规定了高低电平对应的电压范围，它包含了波特率、同步方式等内容。目前较为常用的通信串口有9针孔串口（DB9）和25针孔串口（DB25）两种，通信距离相对较近时(通常在12m以内)，可用电缆线直接与RS232端口相连(RS422,RS485较远)；通信距离相对较远时，需要在数据线上附加上调制解调器（MODEM）。两种串口具体接线方法由表3-3给出：表3-3 DB9和DB25的常用信号引脚说明9针孔串口(DB9)25针孔串口(DB25)针号功能说明缩写针号功能说明缩写1载波检测BCD8载波检测BCD2接收数据RXD3接收数据RXD3发送数据TXD2发送数据TXD4数据发送终端准备DTR20数据发送终端准备DTR5信号地GND7信号地GND6设备准备好DSR6数据准备好DSR7请求发送RTS4请求发送RTS8清除发送CTS5清除发送CTS9振铃指示DELL22振铃指示DELL三线制RS232C串口通信的接线方法至少需要三根线完成，分别是数据发送线、数据接收线、接地线，相同串口的发送针脚、接收针脚分别直接用线相连，还有接地线也是对应相连即可。再调节好通信的波特率就可以完成数据通信了。波特率是每秒钟传送的二进制位数，用b/s表示。3.4.3 MAX232芯片实现电平转换MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，它使用+5V单电源供电11。由于RS-232C采用负逻辑，要完成通信需要进行电平转换，MAX232芯片能够很方便地将单片机系统里的TTL电平转换为计算机进行串行通信用的RS232C电平。具体的接线方法如图3-12所示： 图3-12 MAX232芯片接线图电路接线在上图中已经给出，要说明的是MAX232芯片上的的T1IN与T2IN并连后接到单片机的PD1(TX1)引脚上，作为MAX232与单片机的通信连线。MAX232芯片上的的T1OUT与T2OUT并连后接到单上位机的相应引脚上，作为MAX232与上位机的通信线路。3.5 单片机最小系统的设计3.5.1 晶振电路我们知道，单片机的内部晶振误差较大，而外部晶振工作稳定，在本设计中，我选择频率为8.0MHz的外部晶振作为本驱动系统的晶振，外加两个电容组成系统的晶振电路。复位电路由一只10F有极性电容和一只10K的电阻组成12。AVR单片机自身内部也有自带晶振，但使用时误差较大，且工作时不如外部晶振稳定，鉴于此这里设计了外部晶振电路。晶振电路的组成比较简单，只需一只晶振、两个电容即可。晶振电路如图3-13所示：图3-13 晶振电路结构图电路中的两个电容叫晶振的负载电容，容量大小一般在几十pF，电容值的大小能影响晶振的谐振频率和输出幅度，他们与晶振共同组成谐振电路。3.5.2 复位电路单片机出现死机现象或程序跑分无法正常工作时，需要外部给单片机一个复位信号，使其初始化，重新进入正常的工作周期。这就需要设计系统复位电路。复位电路的组成也比较简单，一般需要电容、电阻连接组成。电路组成如图3-14所示。图3-14 系统复位电路3.5.3 电源电路1、电源电路器件选型电源电路是给系统供电的基本电路，结合以前学过的模拟电子技术关于直流电源设计的相关知识，系统的电源设计需要一只三端稳压集成电路7805以及二极管、电容等原件若干。7805的管脚图和电子器件原理图如图3-15、3-16所示13。 1为输入，2为接地，3为输出图3-15 7805稳压器图示及管脚说明 图3-16 7805器件原理图2、5V单片机电源设计单片机电源电路是给控制系统供电的电路，是系统的基本组成电路之一。一般的系统需要有独立的电源电路，对于包含上位机的控制系统，单片机板可以由上位计算机上的USB接口直接提供5V电源。而为确保系统可独立工作和稳定性，一般要求设计独立电源供电。电源电路由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成。变压器负责将220V的交流电压降压，然后流经整流电路整流，再经滤波与稳压后就能接到用电器件上了。单片机电源电路的设计如图3-17所示。图3-17 系统电源电路78系列的稳压集成块的极限输入电压一般为36V，最低输入电压比输出电压高34V。考虑上输出与输入间压差的功率损耗，输入一般为915V。整流二极管一般为平面型硅二极管，用于各种电源整流电路中。变压器一般选取220V6V左右的变压比。对于整流二极管的选取，主要是考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。普通串联稳压电源电路的整流二极管，对截止频率的反向恢复时间要求不高，常用的整流二极管有 1N系列、2CZ系列、RLR系列等，本设计选用1N系列的整流二极管。2、直流电机供电电源设计同5V单片机供电电源设计原理基本相同，也是经过变压、整流、滤波、稳压几个主要环节完成的。不同的是直流电机电源设计为输出电压可调式电源。稳压器选为LM317。LM317是常用的可调3端正电压稳压器，其输出电压范围1.2V37V,能够提供不低于1.5A的电流，很容易使用。图3-18为电机供电电源设计原理图。图3-18 系统电源电路3.6 系统电路图本章详细论述了个单元电路的设计原理与方案，并分别给出了各单元电路图，把各个单元的部分电路按设计原理合在一起就是系统的总电路图。如图3-19所示14。图3-19 系统电路图- 40 -第四章 系统软件设计第四章 系统软件设计本课题的程序设计方法采用传统的设计流程进行，即先用流程图写出系统的程序算法，在按照相关算法使用C语言详细给出具体程序。4.1 系统主程序4.1.1 主程序流程图图4-1 主程序流程图在编写程序时，为了便于理清思路，提高程序编写编写效率，常常将系统程序按层次分为主程序和调用子程序。主程序是系统的骨干程序，完成系统的主体任务，它能够在需要时调用各级子程序而不能被子程序所调用。子程序是可被主程序调用的程序，他们在主程序需要时被调用。这样可以提高程序的运行效率和可行性。正如系统的主程序流程图4-1所示，主程序主要完成五大任务，分别是：1、系统的上电复位，数据程序初始化；2、开中断，程序计时开始；3、与上位机的串行通信；4、检测判别电枢电流是否过载，电机转动是否正常；5、按照PID算法自动调节电机转速。4.1.2 主程序的C语言编程主程序的C语言编程详见附录一。4.2 驱动程序4.2.1 PID调速程序结合自动控制原理的相关知识，我们知道数字式PID调节的数学表达式为： （3）上述公式中，、的参数值在下式中给出15： （4）其中，为比例常数，为积分时间常数，为微分时间常数，为采样周期。按照以上算法设计程序流程图，需要用到信号采样相关知识，本设计的采样过程是由单片机自动完成的，单片机设定一个中断，在中断时间内系统对转速信号采样，采样信号由单片机内部的A/D转换器进行信号转换，得到电机转速的数字信号，进而将此信号按照如下的计算方法进行信号处理。初值： （5）偏差值计算： （6）控制量计算： （7）按照增量式PID算法设计的速度控制程序框图如下图4-2所示：图4-2 增量式PID程序流程图PID调解程序的C语言编程详见附录。4.2.2 串行通信中断服务程序1、数据传输原理为便于程序设计，先对数据传输原理作以下介绍。在计算机通信中，数据是按帧为单位的，每帧数据包含十位二进制码，通信系统在每接受完一帧后数据后再进行译码识别16。表4-1中的十位字节即为数据传送单位的一帧，十位代码中每位分别代表的具体信息为：表4-1 串行通信的数据传输格式17起始标志设备标识设备编号操作方式寄存器命令EEPROM地址结束55XXXXXXXXXXXXXXFFFF0123456789第零字节：数据传输起始标志位，由上表可以看到，该字节内容为0X55，它代表单片机和计算机之间数据传输的起始位。第一字节：设备标识符，代表直流电机的控制方式，直流电机的控制方式有六种分别为：10：直流电机驱动、单相编码 （单闭环）11：直流电机驱动、三相编码 （单闭环）12：直流电机驱动、测速发电机 （单闭环）20：直流电机驱动、单相编码 （双闭环）21：直流电机驱动、三相编码 （双闭环）22：直流电机驱动、测速发电机 （双闭环）第二字节：设备编号，即被控电机的设备编号。01代表一号电机，02代表二号电机。第三字节：操作方式，即判别系统要进行读写寄存器操作还是对电机发送命令。0：读寄存器数据，1：往寄存器中写入数据，2：给电机发送命令。第四字节：寄存器编号。1代表TCN1,2为OCR2,3为ADC,E为EEPROM。第五字节：电机的控制方式，当字节三中的数据位2给电机发送命令时，字节五起作用。C0-电机停转，C1-电机启动，C2-电机正传，C3-电机反转，C4电机加速，C5-电机减速，C6-紧急制动，CE-错误，C8-监控状态，C9-退出监控状态。第六、七字节：读EEPROM地址的数据。0X00000X0003：Kp0X00040X0007：K1 0X00080X000B：KD0X000C0X000D：T 0X000E0X000F：波特率 0X00100X0011：初始速度第八、九字节：帧结束标志，该字节内容为：0XFEF。2、串行通信程序设计本设计采用的是RS-232串行通信方式。单片机的通信程序采用中断方式接收数据。而单片机给上位机发送数据则采用查询方式。我们知道，中断系统是计算机系统的重要组成部分。中断系统常用在实时控制、故障自动处理、计算机与外围设备间的数据传送等程序中。中断系统的应用能够大大提高系统工作效率，也能简化程序的编写，使困难的程序编写任务变得简单易行。串行通信中断服务程序流程图如图4-3所示。具体的串行通信中断服务程序参见附录一C语言程序清单18。图4-3 串行通信中断服务程序4.3 上位机通信程序单片机与上位机之间要完成数据通信不仅要求单片机上运行通信程序，上位计算机上也要同时运行相关程序19。上位机通信程序的编程方法与单片机编程基本相同，这里不作详述。结 论结 论本设计主要完成直流电机驱动任务，设计以单片机为控制核心，能够实现电机的驱动与速度控制、单片机与上位机的串行通信、电机的双闭环PID调速等功能。按照设计的进程来看，本设计内容主要包括四大部分：一是课题的研究意义与国内外的发展现状，这部分内容在论文的第一章进行了详细的论述。通过这一部分的调查研究，我明确了课题的研究意义，知道通过对直流电机驱动系统的研究，能够给工业生产与现实生活带来方便，促进社会进步与电气技术的发展。就当前直流电机驱动系统的国内外现状来看，世界主要的电气公司都已开发出了数字直流调速装置，这些公司自己都有了成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。我国的相关技术进步很快，但与国外技术相比仍有很大差距，系统化的直流调速装置需要进一步研究！二是系统总体方案的设计，包括硬件系统方案的设计和软件系统方案的设计，本部分的内容在论文的第二章有详述。按照课题的要求与相关设计指标，本部分主要论述了直流驱动系统的硬件与软件的主体设计方案的选取最总敲定。具体的设计方法放在下一部分论述。第三部分是论文的主体部分，这一部分对系统的硬件设计方案进行了详细的论述，从器件的选型到各部分的电路原理图的设计，再到最后系统的整机电路都有具体的论述。这一部分的设计过程中，