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直流电机控制器测试系统的设计与实现中文摘要 中文摘要 传统的直流电机控制器的测试实验都是通过人工进行的，由于测控点多，数 据量大，数据记录时间长，数据处理和分析都很复杂。随着工业自动化的迅速发 展，日益复杂的测试任务和测试条件都迫切需要功能更强大、成本更低廉、系统更 灵活的新一代测试系统，因此本课题研究并设计直流电机控制器测试系统是很有必 要的。 在本文中，首先叙述了直流电机控制器测试系统的开发背景，给出了测试系统的 组成及设计方案，在此基础上，分硬件和软件两个环节详细阐述了直流电机控制器测 试系统的实现过程。在硬件方面，设计并完成了基于m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 单片机的硬件电 路板并调试成功；在软件方面，文中给出了m c u 方软件设计和p c 方软件设计的过程， 软件设计采用模块化设计方法，提高了程序的可读性、易测试性和移植性。 通过测试，直流电机控制器测试系统达到了设计指标，可以满足直流电机控制器 的各项测试要求。在很大程度上提高了直流电机控制器检测的自动化程度，提高了系 统的测试效率。 关键词：直流电机控制器、测试、a d 转换、光电隔离 作者：任靖福 指导老师：王宜怀 a b s t r a c tt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc o n t r o l l e rt e s t i n gs y s t e mf o rd i r e c t c u r r e n tm o t o r a bs t r a c t t h et e s t i n ge x p e r i m e n to ft h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o l l e ro ft h ed i r e c t c u r r e n tm o t o ri sm a d ea r t i f i c i a l l y b o t ht h ed a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i sa r e c o m p li c a t e dd u et ol o t so ft e s t i n gs p o t s ，l a r g eq u a n t i t yo fd a t aa n dl o n gt i m e t ot a k er e c o r d s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n ， i n c r e a s i n g l yc o m p l i c a t e dt e s t i n gt a s ka n dc o n d i t i o n ，t h e r ei sad i r en e e df o r am o r ep o w e r f u l ，c h e a p e ra n dm o r ef l e x i b l et e s t i n gs y s t e m t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt or e s e a r c ha n dd e s i g nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc o n t r o l l e r t e s t i n gs y s t e mf o rd i r e c t c u r r e n tm o t o r ( d c m t s ) i nt h i ss u b j e c t t h i sp a p e rf i r s tt e l l st h ed e v e l o p i n gb a c k g r o u n do ft h ed c m t sa n dp r o v i d e s t h ec o m p o s i t i o na n dd e s i g np r o j e c to ft h et e s t i n gs y s t e m a n do nt h i sb a s i s ， i te l a b o r a t e st h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s so fd c m t so nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e r e s p e c t i v e l y a sf o rt h eh a r d w a r e ，ah a r d w a r ec i r c u i tb a s e do nm c 6 9 h c 9 0 8 g p 3 2 s c misd e s i g n e da n dt e s t e ds u c c e s s f u ll y ：a n da sf o rt h es o f t w a r e ，t h ep a p e r p r e s e n t st h ed e s i g no fm c us o f t w a r e a n dt h ed e s i g n i n gp r o c e d u r eo ft h ep c s o f t w a r e t h em o d u l a r i z e dd e s i g n i n gm e t h o di sa d o p t e df o rt h es o f t w a r ed e s i g n ， a n di nt h i sw a yt h er e a d a b i l i t y ，t e s t a b i l i t ya n dt r a n s p l a n t a t i o na r e in c r e a s e d b yt e s t i n g ，t h ed c m t sh a sr e a c h e dt h ed e s i g n i n gs t a n d a r da n dc a nm e e tt h e n e e d so fa l l t h et e s t i n gr e q u i r e m e n t so ft h ed c m t s t h u s ，t h ed e g r e eo ft h e t e s t i n ga u t o m a t i o no ft h ed c m t sa n dt h et e s t i n ge f f i c i e n c yo ft h es y s t e ma r e im p r o v e d k e y w o r d s ：c o n t r o l l e ro f t h ed i r e c tc u r r e n tm o t o r ，t e s t i n g ，a ds w i t c h ，p h o t o e l e c t r i cs e g r e g a t i o n - i i w r i t t e n b y ：r e nj i n g f u s u p e r v i s e db y ：w a n gy i h u a i 苏州大学学位论文独创性声明及使甩授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书 而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 研究生签名：互至荔差垂日 期： 2 q q 2 ：! ! ：1 3 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、 中国社科院文献信息情报中心有叔保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大 学学位办办理。 研究生签名：2 1 至至丕主：丕日期：2 q q 2 ：! ! ：! 兰 直流电机控制器测试系统的设计与实现第一章绪论 1 1 系统概述 第一章绪论 直流电机控制器测试系统( t h ec o n t r o l l e rt e s t i n gs y s t e mf o r d i r e c t - c u r r e n tm o t o r ，简称d c m t s ) 是根据直流电机控制器( 本系统主要指直流 电机他励串励控制器) ，设计其测试平台，实现对直流电机控制器的功能测试和 性能测试。本系统可以测试直流电机控制器的功能与性能，并反馈测试结果，还 可以对测试数据结果进行动态显示。测试内容主要包括控制器的电流值、电压值、 p w m 输出的波形变化等，测试平台采集到这些数据后，通过串口发送给p c 方显 示。 1 2 开发背景 目前，电动叉车的控制技术大多采用直流电机进行控制，电机控制器是电机 的中枢神经系统。在控制过程中，需要采集电压、电流、功率、转速、温度等大 量数据。长期以来，电机厂的电机控制器的检测还是沿用传统数据采集方法：采 用分离仪表、人工读取表针的方法，实验人员通过观察仪表获取测试数据。测试 时需多人合作，协同工作且测试周期长，由于电机运行中电磁场及振动噪声的干 扰，记录人员不容易听清楚观测人员所报数据。这种试验系统费时、费力、成本 高、兼容性和扩展性弱，试验人员工作量大，数据统计繁杂，而且由于测点较多 又不连续，测试数据经计算后做出的曲线总有较大误差，甚至由于测点所读数据 误差易出现飞点现象，测试精度难以保证，已不能适应现代化检测的要求f l 】。 随着计算机技术和电子技术的飞速发展，电机计算机辅助测试技术也日趋成 熟，将计算机应用于电机控制器测试中，基于计算机控制的测试技术也逐步取代 传统的手动操作式电机控制器检测，计算机的大量推广应用为智能控制系统的发 展开拓了新的途径。计算机的使用具有高度灵活性和扩展性，可以非常方便地实 现多种控制和测试功能，因此随着计算机价格的大幅度下降，它在电机控制中的 应用也具有广阔的前景；同时，随着新的检测仪器的出现，也为直流电机控制器 第一章绪论 直流电机控制器测试系统的设计与实现 测试系统的计算机化的实现变得更为方便，也促进了新技术在电机控制系统中的 应用。不仅可提高测试效率，而且可以对同一物理量等重复测量多次，以提高测 量精度及可靠性，还可对大量试验数据进行处理，得到高精度的测量结果。 目前，国内外各科研单位所研制的主要是电机自动测试系统，它仅用于电机 的某特定试验，功能比较单一n 1 。在电机测试取得进展的同时，国外对电机控制 器测试的研究还比较少，且相关技术和资料都掌握在国外生产厂家手里，国内厂 家只能使用产品却无法掌握技术进行生产。 鉴于上述情况，同时为了推广应用科学技术，提高劳动生产率，我们和欣瑞 机械有限公司的技术人员一起共同研制了一套直流电机控制器测试系统，该系统 通过计算机实现对电机控制器的各种参数及开关逻辑的测试，并对测试结果进行 及时处理、分析计算，方便控制电机工作。 1 3 课题设计的必要性、意义及思路 1 3 1 课题设计的必要性 对电机产品的测试长期以来是使用传统测试方法。要进行全性能试验，必须 将它们搬迁到专门的实验室，装配一整套仪器仪表，由专门的试验人员读数、记 录、然后整理数据并绘制曲线或编写试验报告，但是由于一些原因如电源的波动 频率的波动负载的波动等因素会使仪表的指针摆动。为了能够比较准确的读出某 一瞬间的各项测量数据，往往需要几个人同时读表，工作效率低，读表由于不具 有同时性，以及读数、记录、计算的各种人为误差还使试验数据分散性大，试验 结果的准确性低、重复性差，。 随着各种电子仪器的发展，如多功能参数测试仪表来测量电流、电压功率、 功率因素、频率等参数，又利用转矩、转速测量仪可以测量电机在各种状况下的 转矩、转速、输出功率等，这类仪器一般由单片机构成、测量的精度较高，采用 数字显示，功能比较完备，较高地提高了自动化程度，但对于数据的实时处理等 问题仍然不够理想。 后来在数字仪表的基础上发展起来的数字式自动测试系统可以控制测量过 程，处理测试数据，记录与显示测量结果，采用微机的电机自动测试系统具有以 直流电机控制器测试系统的设计与实现第一章绪论 下一些特点： ( 1 ) 能够自动控制电机的起、停、自动采集测试数据，数据处理及参数计 算，绘制特性曲线，整个测试过程全部自动进行，试验现场立即得到试验报告及 曲线，自动化程度高。 j ( 2 ) 数据采集的速度高，保证了测试数据的同时性，也提高了测试的效率。 ( 3 ) 采用各种先进的数字仪表、传感器保证了测量的高精度，从而使测量 的准确性高，重复性好。 本文介绍的直流电机控制器测试系统，是一个实时多道数据采集系统，该系 统主要用于通过电机控制器测试电动搬运车、电动叉车等电动车辆的驱动电机工 作是否正常。 1 3 2 课题设计的意义 自动测试系统是现代科研工作中的有力工具，是改造传统工业的必备手段。 随着电机工业发展到规模化生产的今天，中小型电机总产量以每年2 的幅度增 长，比较适合生产系统自动化，为确保产品的高质量，每台电机控制器出厂前都 要进行参数检测“1 。因此，研制一套高准确度、高自动化程度的电机控制器自动 测试系统对提高生产效率、减轻工作强度和提高产品质量都有重大的现实意义。 传统的试验测控都是通过人工进行的，由于测控点多，数据量大，数据记录 时间长，数据处理和分析都很复杂。利用计算机技术设计的直流电机控制器测试 系统，实现了测控的自动化，提高了测控的正确性和精确性，大大减轻了人力和 物力。 该项目是和无锡市欣瑞机械有限公司的合作项目，系统经过使用和检查，证 明该测试系统所检测的温度、电流的测量精度达到了规定的要求。同时，经几个 月现场的实地使用，表明该系统速度快、精确度高、抗干扰性强、用户使用方便， 大大提高了检测效率。 1 3 3 课题设计的思路 本课题设计的测试系统硬件系统部分由主控芯片m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 最小系 第一章绪论直流电机控制器测试系统的设计与实现 统电路、电源转换电路、s c i 通信电路、光电隔离控制电路、a d 转换电路和继 电器驱动电路等部分组成。该系统能对多种模拟量进行采集，通过信号转换电路 转换为0 5 v 的电压信号，再将电压信号送入a d 转换电路，实现数据的采集。 为了节约i o 口，本系统的a d 转换芯片采用2 片t l c 2 5 4 3 ，第1 片用于模拟量 输入，负责采集各传感器的值，第1 i 片用于采集各开关的状态；本测试系统经常 要读取电机的当前速度，且精度要求比较高，所以采用输入捕捉的方式采集测功 机的转速；同时系统需要采集2 4 v 开关的状态，而负责采集的m c u 子系统的工 作电压是5 v ，为了保障m c u 的正常工作，所以需要采用光电隔离电路来实现 2 4 v 到5 v 的转换。 软件环境采用功能强大的v b n e t ，它具有的可视化界面设计功能，能把程序 设计人员从繁琐的界面设计中解脱出来。设计出的软件界而美观、功能强、编制 程序界面简单，代码的编写量小，。操作简单，容易被使用人员所接受。基于这些 特点，本课题的界面设计及主程序设计部分使用w i n d o w s 环境下v b n e t 处理软 件。 1 4 本文工作和论文结构 1 4 1 本文工作 1 系统需求分析 在设计硬件电路和实现软件功能之前，需要根据电机控制器的功能进行设 计，完成系统软硬件总体设计。 2 硬件设计 ( 1 ) 芯片选型，分析系统中使用的主要芯片的功能及其实现测试系统的可 行性； ( 2 ) 结合各芯片的特点，分析各接口芯片的最佳工作方式； ( 3 ) 了解芯片的外围电路，分析芯片间的接线方式，设计硬件原理图； ( 4 ) 绘制p c b 电路图，联系厂家制作电路板； ( 5 ) 其他元器件的选型与采购等； ( 6 ) 焊接、测试，完成硬件系统。 直流电机控制器测试系统的设计与实现 第一章绪论 3 软件设计及调试 ( 1 ) 完成测试系统的总体设计、软硬件设计与调试； ( 2 ) 实际应用经验总结； 一为了测试控制器在软件各功能模块的正确性，并能在以后的实地上车运行过 程中，当控制器出现故障时进行功能模块故障检测，进行了加速器控制p w m 占 空比、加速率、减速率及制动率控制p w m 占空比、开关输入、故障设置并显示、 模拟手持编程器等软件功能模块的测试。 1 4 2 论文结构 全文共六章，各章的内容安排如下； 第一章介绍了电机控制器测试系统的开发背景，国内外研究现状，课题设计 的必要性、意义及思路，并给出本文的工作和论文的结构； 第二章介绍了系统的总体设计方案，对系统功能的需求分析进行概述，并给 出系统硬件的总体设计方案和软件的总体设计方案； ：，第三章介绍了该系统的硬件设计方案，给出了硬件模块的设计过程，介绍了 d c m t s 测试板采用的各种芯片的主要特性及电路图，并在本章的最后对设计出的 硬件电路板进行了测试； 第四章介绍了在硬件基础上的m c u 方软件设计与测试情况，包括硬件各功 能模块的软件的实现及通信协议的设计等； 第五章介绍了p c 方软件设计与实现方法，并详细给出了系统的总体设计和 界面设计的过程； 第六章对本文的工作进行总结，并提出一些尚待改进的地方。 第二章d c m t s 系统的总体设计 直流电机控制器测试系统的设计与实现 第二章d c m t s 系统的总体设计 2 1 系统的功能需求分析 d c m t s 用于测试直流电机控制器的功能和性能。测试内容主要包括测试控 制器的电流值、速度值和p w m 输出的波形变化等。测试系统采集到这些值后， 通过串口发送给p c 方显示，能够方便用户监看、分析。本系统可以实现测试直 流串励电机控制器和直流他励电机控制器的性能和功能，但是在本文中重点结合 直流串励电机控制器来阐述。 2 1 1 系统概述 本系统是根据直流电机控制器，设计其测试平台，实现对直流电机控制器的 功能测试和性能测试。系统可以控制直流电机控制器自动执行其3 项功能及反馈 检测结果，同时模拟实际载荷测试控制器的性能，还可以对测试数据结果进行动 态显示和打印；同时为了方便用户得到测试数据，本系统也可以对手持编程器的 功能和性能进行测试。系统的基本组成有： ( 1 ) 机械部分及驱动部分； ( 2 ) 电器硬件部分：含串励电机控制器、他励电机控制器、测功机、模拟 实际操纵控制它们的m c u 系统、计算机系统等； ( 3 ) m c u 的控制软件，p c 机控制软件。 2 1 2 直流串励电机控制器功能概述 本文重在介绍测试串励电机控制器的功能与性能，所以为了方便理解 d c m t s 测试系统的工作过程，有必要先介绍一下的直流串励电机控制器的功能。 串励控制器所具有的功能可以分为非故障性处理功能和故障性处理功能，非 故障性指在正常行进或制动时所具有的功能，故障性处理功能是指控制器所具有 的故障检测和做出相应处理的功能。主要功能如下： ( 1 ) 高踏板h p d ( h i g hp e d a ld i s a b l e ) 故障检测：当加速器超过2 5 然后 直流电机控制器测试系统的设计与实现第二章d c m t s 系统的总体设计 闭合制动开关时，控制器会报h p d 功能时序错误。 ( 2 ) 静态断开s r o ( s t a t i cr e t u r nt oo f f ) 故障检测：s r o 防止在“挂档” 情况下车辆起动。s r o 检查制动开关或制动开关和钥匙开关相对于方向开关的时 序：制动开关或制动开关和钥匙开关必须在方向选定前闭合。若在制动开关闭合 前或同时闭合则控制器被禁止。 i 。，( 3 ) 接触器检测：简洁的接触器和开关接线，接触器线圈驱动器带有短路 和开路监测，同时监测是否出现接触器线圈电流过大的故障。 ( 4 ) 正常前进：闭合制动开关，主接触器闭合，然后闭合前进开关，前进 接触器闭合，电机进入前进状态，加速器调节后，电机前进方向运转。 ( 5 ) 正常后退：闭合制动开关，主接触器闭合，然后闭合后退开关，后退 接触器闭合，电机进入后退状态，加速器调节后，电机后退方向运转。 ( 6 ) 快速起动：当加速器从空档位置突然旋转至超过2 5 的位置时，为了 克服起动时的最大静摩擦力，此时的加速率高于正常情况的加速率，当p w m 达 到或超过2 5 的时候快速起动结束。 ( 7 ) 无极变速：p w m 变速功能不是放于主程序中实现，而是在周期为0 5 m s 的定时器溢出中断中处理，每2 0 次定时器溢出中断也就是每1 0 m s 程序根据当时 的加速率或减速率对p w m 进行增加或减少，这种操作实现无极变速。 ( 8 ) 速度模式选择：通过高速开关选择不同的工作模式高速模式和低 速模式。 ( 9 ) 反向制动功能：反向制动是指当搬运车在向某方向前进的过程中对搬 运车断开当前方向开关，闭合相反方向开关，以此施以相反方向的励磁以达到快 速制动的效果。当搬运车从正常运行状态转入反向制动状态时，p w m 的频率由 1 5 k h z 转变为1 5 k h z 。 ( 1 0 ) 空档制动功能：空档制动实际就是自动的反向制动，以前进方向上的 空档制动为例，当搬运车处于前进状态时，将前进开关断开，则首先前进接触器 断开，然后程序控制将后退接触器闭合，则此时电机进行反向制动，当程序检测 到电动机停止时将后退接触器断开，空档制动结束。 ( 1 1 ) 紧急反向及其连线检测：电机正常运转后，如果闭合紧急反向开关， 则电机向相反方向以最快速度转动，同时提供紧急反向连线开关故障检测。 第二章d c m t s 系统的总体设计 直流电机控制器测试系统的设计与实现 ( 1 2 ) 加速器类型选择：可以选择霍尔加速器、5 k 0 型加速器和0 5 k 型加 速器，并提供加速器开路故障检测。 ( 1 3 ) 斜坡起动( 防后滑) ：可以使车辆能在斜坡上以较大的反相电流限幅 起动而不至于滑下去。先选择一个方向不少于1 秒，然后返回到空档位置，再选 择同一方向就可以引发此功能。一旦车辆处于斜坡起动状态，它将持续保持该状 态直到相反方向被选择达1 秒以上。 ( 1 4 ) 过电压和欠电压保护：当电压低于1 6 v 时，p w m 逐渐变为0 ，然后 控制器断开，如果电压超过3 0 v ，则控制器重新开始工作，控制器故障指示灯指 示相应故障。 ( 1 5 ) 温度保护：当温度超过8 5 度时，p w m 逐渐变为0 ，然后接触器断开， 如果温度回落到8 5 度以内，控制器重新开始工作，控制器故障指示灯指示相应 故障。 ( 1 6 ) m o s f e t 驱动电路故障t 如果p w m 信号已经发出，而m 部分没有 跳变信号出现，则标明m o s f e t 驱动电路出故障，由故障指示灯指示该故障， 作为m 一故障处理。 ( 1 7 ) m o s f e t 晶体管故障检测：不论在任何时间，在主程序中对m 进行 1 6 次取平均加中值滤波的a d 转换，如果转换的结果接近于0 ，说明有一个或多 个m o s f e t 击穿，由故障指示灯指示该故障，作为硬件故障处理。 ( 1 8 ) 通用型手持编程器：提供完整的参数设定和功能设定，同时能够读取 历史故障和监控信息。 2 1 3 手持编程器功能概述 通过该测试系统，也可以完成手持编程器的功能和性能测试。对于直流电机， 有时我们需要修改它工作时的参数，因此使用手持编程器会大大减小工作强度。 模拟手持编程器可以对编程对象的参数进行读取和设定，通过串行通信方式( 支 持t t l 电平通信和2 3 2 电平通信) 与其编程对象进行信息交换，通过设计，它可 以进行以下功能参数的设置与修改： ( 1 ) h p d 类型： 1 型：为了起动车辆，控制器必须在接收到加速器之前接收到钥匙开关输 直流电机控制器测试系统的设计与实现 第二章d c m t s 系统的总体设计 入。若在钥匙开关接通时加速器输入已经大于2 5 ，则控制器操作立即被禁止。 若在制动开关闭合前且钥匙开关输入接通后使用加速器，车便会在制动开关闭合 后加速到要求的速度。 ，2 型：为了起动车辆，控制器必须在接收加速器前接收到钥匙开关输入和 制动输入，在制动开关闭合时若已经输入大于2 5 则控制器立即被禁止。通过把 加速器命令减小到2 5 以下可以获得正常操作。 ( 2 ) s r o 类型： o 型：无s r o 1 型：制动输入加方向输入型的s r o 2 型：钥匙输入加制动输入加方向输入型s r o 3 型：钥匙输入加制动输入加前进方向输入型s r o ( 3 ) 顺序延时：为了防止无意激活h p d 或s r o ，该功能允许制动开关在一 个设定时间( 顺序延时) 内任意闭合断开，而控制器并不视为有效的输入，在制 动开关操作中可能弹跳或经常闭合断开的情况下，该功能特别有用，该功能参数 可设为0 - - 一3 s ，0 对应无延时。 。 ；( 4 ) 爬行速度：该参数定义了刚选定方向时控制器产生的初始输出。只需 一个方向信号而不需要加速器来使车辆进入爬行速度方式。输出保持爬行速度直 到加速器超过死区( 典型为加速器的1 0 ) 。 ( 5 ) 快速起动：增加该值，能明显提高车辆对快速加速器输入动作的响应。 ( 6 ) 可变制动：可变制动参数定义需要制动时控制器如何施加制动力。如 果可变制动参数被编程为“o n ”，当有制动请求时，控制器施加的制动电流大小 是加速器位置的一个函数。通过可变制动，操作者能够使用加速器控制施加给移 动着的车辆的制动力度大小。相反于车辆移动方向增加加速器，将增加施加给电 机的再生制动电流，更快速地减速车辆。如果喜好固定的制动力量，可变制动参 数设定为“o f f ”。此时一有制动请求，控制器将施加特定的满制动电流。 ( 7 ) 空档制动限流参数的设置 ( 8 ) 空档制动的设置 ( 9 ) 紧急反向速度参数的设置 ( 1 0 ) 紧急反向限流参数的设置 第二章d c m t s 系统的总体设计直流电机控制器测试系统的设计与实现 ( 1 1 ) 加速器性能曲线参数的设置 ( 1 2 ) 模式1 加速率参数的设置：加速率定义了控制器输出从0 到1 0 0 所需的时间。大的值代表长的加速时间和缓慢的起动，可以通过减少加速时间来 快速起动。加速率可在0 1 s 到3 o s 内调节。 ( 1 3 ) 模式1 最大速度参数的设置：最大速度定义了加速器满程时控制器的 最大输出，该参数可以1 为单位增量在0 到1 0 0 内调节。 ( 1 4 ) 模式1 驱动电流参数的设置：驱动电流参数允许调整控制器施加给电 机的最大驱动电流。限制这个参数以减少施加给驱动系统的最大力矩。驱动限流 可在5 0 a 至控制器满额定电流之间调节。 ( 1 5 ) 模式1 斜起限流参数的设置： ( 1 6 ) 模式1 制动电流参数的设置：制动限流参数决定了在制动时控制器提 供给电机的最大电流的调节。制动电流限制可在5 0 a 至控制器满额定电流之间调 节。 ( 1 7 ) 模式2 最大速度参数的设置 ( 1 8 ) 模式2 驱动电流参数的设置 转速( 5 5 1 2 v ) 磊订t 扭矩( 0 - 一2 4 m v ) 水压开关 一电机电流 串励电机l 乒秀；矿 电枢电流 - 、 他励电机r 丁 卜一 励磁电流 _ 、 手动面板i l o w l k c 控制器 m c u d 【模淼关】 p w m ，一 江叫 w l k c 控制器 电机控制器 1 6 针接口j 2 、j 3 1 0 5 v 叫ho 丌便uj z - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 图2 1 直流电机控制器测试输入输出框图 直流电机控制器测试系统的设计与实现第二章d c m t s 系统的总体设计 ( 1 9 ) 模式2 斜起限流参数的设置 ( 2 0 ) 模式2 制动电流参数的设置 ( 2 1 ) 模式2 加速率参数的设置 2 1 4 输入输出分析 k 由于电机控制器测试平台的输入量和输出量较多，因此给出了输入输出框 图，方便硬件分析与设计，如图2 1 所示。 输入量和输出量见表2 1 、表2 2 和表2 3 所示。 表2 1 面板上手动输入一览表 原始信号形 本系统 类型编号名称接法采样方说明 式 法 1钥匙开关0 2 4 v给控制器 2 制动开关0 2 4 v给控制器 3手动自动0 2 4 v 给测试系统 4 串励他励0 2 4 v给测试系统 开关 5 电机正转 0 2 4 v通过光电隔 给控制器 量输 6 电机反转0 2 4 v 离接 给控制器 ，入 7 电机紧急反向0 2 4 v t l c 2 5 4 3 a d 电机模式选择 ( i i ) 给控制器 80 2 4 v给控制器 1 电机模式选择 9 0 2 4 v给控制器 2 1 0紧急停止0 2 4 v给控制器 表2 - 2 电机测试系统自动输入一览表 类型编号名称命名来源说明 扭矩传感器信号 1 扭矩t o r s i o n测功机+ 传感器 ( o 2 4 m v ) l k c 控制器+ 分 9 0 v 、5 a 直流电压 2 w l k c 输出 w l k c 通过分流器获得 流器 0 7 5 m v 模拟 串励电机通过分流器获得 量输 3 电流 m o t o r c u r r e n t 串励电机+ 分流器 0 7 5 m v 入 他励电枢 4a r m a t u r e c u r r e n t 电流 他励电机+ 分流器 通过分流器获得 他励励磁 0 7 5 m v 5e x cit a tio n c u r r e n t 电流 常开或常闭触点 6水压 p r e s s u r e 测功机+ 水压开关 ( 无源) 数字 1 转速r o t a t e s p e e d测功机 5 5 ，- - - 1 2 v 脉冲信 量输 号波 入2 p c 串行数 据接收 r x dp c r s 2 3 2 信号 第二章d c m t s 系统的总体设计直流电机控制器测试系统的设计与实现 表2 - 3 电机测试系统自动输出一览表 类型编号名称命名控制对象说明 模拟钥匙开 1 k e y _ o u t 继电器1模拟钥匙开关功能 关信号 模拟制动开 2 b r e a k _ 0 u t 继电器2模拟制动开关功能 关信号 3 模拟模式1 开 开关 关信号 m o d el _ o u t继电器3模拟模式1 开关功能 量输 4 模拟模式2 开 出 关信号 m o d e 2 _ o u t 继电器4模拟模式2 开关功能 模拟紧急反模拟紧急反向开关功 5 r e v e r s e _ 0 u t 继电器5 向开关信号能 模拟前进开 6 f o r w o r d o u t 继电器6模拟前进开关功能 关信号 模拟后退开 7 b a c k _ o u t 继电器7模拟后退开关功能 关信号 1 p w m 信号 p w m w l k c 控制器 o 3 v 数字 模拟加速器功能 量输 2霍尔加速器a c c 3 电机控制器 ( o 5 v ) 出 p c 串行数据 3t x dp cr s 2 3 2 信号 发送 2 2 系统总体设计 本文整个研究工作紧密围绕实验室与无锡市欣瑞机械有限公司合作开发的 基于w i n d o w s 操作系统的直流电机控制器测试系统项目，该测试系统的p c 方软 件部分主要使用微软的v b n e t 开发，通过串励、他励控制器进行现场控制电机工 作，组成方便灵活的控制系统，非常便于监视电机工作，大大减少了以前工作人 员繁重的手工操作，测试数据可以自动采集，真正实现了智能化的操作、管理， 大大提高了电机工作时数据测试的准确性和科学性。测试系统总体结构框图见图 2 2 ： 2 2 1 硬件系统的总体设计 1 搭建硬件平台的主要步骤 ( 1 ) 使用p r o t e ld x p 9 9 软件，设计硬件平台，建立主要元器件库； ( 2 ) 建立硬件平台元器件原理图符号库、p c b 符号库( 主要是芯片和元件 封装) ； ( 3 ) 生成与导入网络表，完成p c b 的布局和布线； ( 4 ) 检查p c b 布线规则，修改p c b 布线错误，完成p c b 版图的设计； 直流电机控制器测试系统的设计与实现第二章d c m t s 系统的总体设计 ( 5 ) 完成硬件平台印刷电路板的焊接和测试嘲； 详细的硬件设计过程在第三章介绍。 2 。硬件系统的总体设计 硬件设计主要包括：主控芯片m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 的支撑电路、电源转换电路、 串行通信s c i 电路、光电隔离电路、a d 转换电路、继电器驱动电路等部分，其 中； 主控芯片m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 最小系统电路：采用4 2 p i n 的 m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 芯片作为主控芯片，主要由晶振电路，电源滤波电路，复位电 路组成； 电源转换电路：将各传感器的输出信号转换为0 - - 5 v 的电压信号； 串行通信s c i 电路：通过m a x 2 3 2 实现p c 同时与本系统和电机控制器 之间的通信； 光电隔离电路：主要采用光电隔离芯片4 n 2 5 作为核心芯片，实现将2 4 v 的开关信号转换为5 v 信号； _ a d 转换电路：为了节省i o 口，使用2 片t l c 2 5 4 3 分别用于模拟量和 开关量的采集； j 继电器驱动电路：通过继电器模拟2 4 v 开关的控制； i 竺兰垫望竺：查竺卜叶 夏至翌引n c 2 粥 匝堕引1 面丽丽1 露面吲 塑野4 3 垄皇堕塞h n c 2 m 3 瓦丽删 g p 3 2 p t a 0 干1 a 7 p t c 0 、p t d o - - p t d 3 p t d 5 p t c l 、m m 帅3 p r e m 巾t e l 图2 - 3 硬件设计框图 圈榴 召 量圈 第二章d c m t s 系统的总体设计直流电机控制器测试系统的设计与实现 定时器模块：用来通过输入捕捉采集光电编码器的输出脉冲来获取电机 转速，并指定所需的时钟周期和占空比来控制高电平和低电平的持续时间。 具体硬件设计框图见图2 3 。 2 2 2 软件系统的总体设计 软件作为硬件的延伸，人机交互的手段，在很大程度上，软件体现一个系统 的可操作性。作为用户来说，和系统的交互是通过软件完成的。因此，系统p c 软件设计界面要良好，操作要可靠阳1 。开发嵌入式系统既可用汇编语言，也可用 高级语言。作为低级语言的汇编语言在代码编写和维护上效率较低，通用性不强， 可读性差，但是在编写有关数据通信中的程序延时时则比较精确，代码执行效率 高。而高级语言的优点是易于掌握，代码便于阅读和维护，但最终产生的目标代 码冗长 。 二 结合到本系统的实际情况，考虑到主控m c u 与目标m c u 的通信程序对时 间延迟的精度要求比较高，而且m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 芯片的r a m 和f l a s h 容量 也不大，r a m 只有5 1 2 个字节，f l a s h 只有4 3 2 k 字节的空间，所以采用了 m c 6 8 h c 0 8c 语言作为主控m c u 软件的开发语言；对于p c 方设计，软件环境 采用功能强大的v b n e t ，它具有的可视化界面设计功能，能把程序设计人员从繁 琐的界面设计中解脱出来，设计出的软件界而美观、功能强、编制程序界面简单， 代码的编写量小，操作简单，容易被使用人员所接受。 1 m c u 方软件总体设计 在系统硬件搭建完成之后，接下来做的就是基于硬件系统的软件开发工作， 软件性能的优劣将直接影响整个系统功能的实现。硬件电路为系统功能的实现仅 提供了一个平台，而底层软件却为这个平台补充了具体的内容。可以说，底层软 件系统是整个系统的灵魂。图2 4 为主控m c u 方软件主程序的流程图。 2 p c 方软件总体设计 测试系统的主程序用来完成某一设定测试项目的全部测试内容，包括对待测 数据的测量、采集、处理、输出的控制及对测试过程的控制。利用上位机来与下 位机进行信息交换，下位机对现场设备的控制与信号采集。主程序采用高级语言 直流电机控制器测试系统的设计与实现 第二章d c m t s 系统的总体设计 v b n e t 编制。p c 方软件的编写采用v b n e t 工具软件，它具有的可视化界面设计 功能，能把程序设计人员从繁琐的界面设计中解脱出来，设计出的软件界而美观、 功能强、编制程序界面简单，代码的编写量小，操作简单，容易被使用人员所接 受3 图2 _ 4m c u 方主程序流程图 该控制系统的应用程序可以分为文件模块、测试模块、查询模块和备忘录模 块，其各应用程序模块的结构图如图2 5 所示： 第二章d c m t s 系统的总体设计直流电机控制器测试系统的设计与实现 2 3 本章小结 图2 5p c 方总体规划结构图 本章从d c m t s 测试系统的需求分析出发，介绍了直流电机控制器测试系统的 总体设计框架、简要地介绍了系统的硬件构成以及系统的软件设计思路，列出了 系统总体结构框架图、控制系统的输入输出框图、硬件设计框图、m c u 方主程序 流程图以及p c 方总体规划结构图。 直流电机控制器测试系统的设计与实现 第三章d c m t s 系统的硬件设计 3 1 芯片选型 第三章d c m t s 系统的硬件设计 3 1 1 微处理器的选型原则 f r e e s c a l es e m i c o n d u c t o r 公司以前是m o t o r o l a 公司的半导体产品部，提供多 种微处理器，它们面向汽车、通信和联网、消费、工业、普适计算等市场。f r e e s c a l e 提供一系列8 位、1 6 位、3 2 位和6 4 位微控制器，目标是各种消费应用，包括遥 控无密钥开关( r e m o t e k e y l e s s e n t r y ) 设备、计步器、m p 3 播放器、白色家电； 工业控制设备，比如机器人技术、诊断仪器、工厂自动化工具；汽车应用，包括 防抱死系统、气囊、传动系系统。在如此众多产品中，每一种产品都有其具体的 市场定位，没有哪一种微处理器产品可以完全主导嵌入式系统开发。选择合适的 嵌入式微处理器是一件艰难而复杂的工作，首先要熟悉众多微处理器的类型、特 点i 其次还要分析系统所要实现的功能和开发周期。 j ? 在进行微处理器选型时主要考虑的因素有伯1 ： 囊处理性能：一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率，内 部寄存器的大小，指令是否对等处理所有的寄存器等。对于许多需用处理器的嵌 入式系统设计来说，目标不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完 成作业的处理器和i o 子系统。如果是面向高性能的应用设计，那么建议考虑某 些新的处理器，其价格相对低廉，如i b m 和m o t o r o l ap o w e rp c 。 技术指标：当前，许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，减少了 芯片的数量，降低了整个系统的开发费用。开发人员首先考虑的是，系统所要求 的一些硬件能否无需过多的胶合逻辑( g l ，g l u el o g i c ) 就可以连接到处理器上。 其次是考虑该处理器的一些支持芯片，如d m a 控制器，内存管理器，中断控制 器，串行设备、时钟等的配套。 功耗：嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、电子记事 本、p d a 、手机、g p s 导航器、智能家电等消费类电子产品。这些产品中选购的 微处理器，典型的特点是要求高性能、低功耗。许多c p u 生产厂家已经进入了 第三章d c m t s 系统的硬件设计直流电机控制器测试系统的设计与实现 这个领域。今天，用户可以买到一颗嵌入式的微处理器，其速度像笔记本中的 p e n t i u m 一样快；而它仅使用普通电池供电即可，并且价格很便宜。如果用于工 业控制，则对这方面的考虑较弱。 软件支持工具：仅有一个处理器，没有较好的软件开发工具的支持也是 不行的，因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到很好的作用。 是否内置调试工具：处理器如果内置调试工具可以大大缩小调试周期， 降低调试的难度。 供应商是否提供评估板：许多处理器供应商可以提供评估板来验证理论 是否正确，决策是否得当。 3 1 2 主要器件的选取 本课题选择了f r e e s c a l es e m i c o n d u c t o r 公司的m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 处理器作为 整个测试系统的主控芯片，它是m o t o r o l a 的新型0 8 系列单片机中的一种通用芯 片。具有速度快、功能强和价格低等优点，并且向下兼容原有的m 6 8 h c 0 5 系列 单片机，极大地维护了用户的利益，而且新一代的m 6 8 h c 0 8 系列机种按各种型 号带有不同大小的片内闪速( f l a s h ) 存储器，具有非常高的性价比。根据不同 的应用，0 8 系列单片机分出很多型号，而本设计采用的m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 单片 机在标准0 8 单片机核心的基础上，增加了增强型的串行通讯接口s c i 和串行外 围接口s p i n 们。 m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 是m o t o r o l a 推出的高性能8 位微控制器，它具有强大的 功能和广阔的市场前景。时钟部分采用了锁相环频率合成器作为时钟发生电路， 可以