基于单片机的电机调速器的设计

直流电动机调速器硬件设计摘 要 直流电动机广泛使用于各种场合,为使机械设备以合理速度进行工作则需要对直流电机进行调速。该实验中搭建了基于C8051F020单片机的转速单闭环调速系统，利用PWM信号改变电动机电枢电压，并由软件完成转速单闭环PI控制，旨在实现直流电动机的平滑调速，并对PI控制原理及其参数的确定进行更深的理解。实验结果显示，控制8位PWM信号输出可平滑改变电动机电枢电压，实现电动机升速、降速及反转等功能。实验中使用霍尔元件进行电动机转速的检测、反馈。期望转速则可通过功能按键给定。当选择比例参数为0.08、积分参数为0.01时，电机转速可以在3秒左右达到稳定。由实验结果知，该单闭环调速系统可对直流电机进行调速，达到预期效果。关键字：直流电机， C8051F020，PWM，调速，数字式Subject: Hardware Design of Speed Regulator for DC motor Major: AutomationName: Xiao yu Liu (Signature)Instructor:Xiao dong Hu (Signature) Hardware Design of Speed Regulator for DC motorAbstract The dc motor is a widely used machine in various occasions.The speed regulaiting systerm is used to satisfy the requirement that the speed of dc motor be controlled over a range in some applications. In this experiment,the digital Close-loop control systerm is based on C8051F020 SCM.It used PI regulator and PWM to regulate the speed of dc motor. The method of speed regulating of dc motor is discussed in this paper and, make a deep understanding about PI regulator.According to experiment ,the armature voltage can be controlled linearnized with regulating the 8 bit PWM.So the dc motor can accelerate or decelerate or reverse.In experiment, hall component is used as a detector and feed back the speed .The expecting speed can be given by key-press.With using the PI regulator,the dc motor will have a stable speed in ten seconds when choose P value as 0.8 and I value as 0.01. At last,the experiment shows that the speed regulating systerm can work as expected.Key words: dc motor,C8051F020,PWM,speed regulating,digital目录第一章 绪论 11.1直流调速系统发展概况 11.2 国内外发展概况 21.2.1 国内发展概况 21.2.2 国外发展概况 31.2.3 总结 41.3 本课题研究目的及意义 41.4 论文主要研究内容 4第二章 直流电动机调速器工作原理 62.1 直流电机调速方法及原理 62.2直流电机PWM(脉宽调制)调速工作原理 72.3 转速负反馈单闭环直流调速系统原理 112.3.1 单闭环直流调速系统的组成 112.3.2速度负反馈单闭环系统的静特性 122.3.3转速负反馈单闭环系统的基本特征 132.3.4转速负反馈单闭环系统的局限性 142.4 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统 152.5 数字式转速负反馈单闭环系统原理 172.5.1原理框图 172.5.2 数字式PI调节器设计原理 18第三章 直流电动机调速器硬件设计 203.1 系统硬件设计总体方案及框图 203.1.1系统硬件设计总体方案 203.1.2 总体框图 203.2 系统硬件设计 203.2.1 C8051F020单片机 203.2.1.1 单片机简介 203.2.1.2 使用可编程定时器/计数器阵列获得8位PWM信号 233.2.1.3 单片机端口配置 233.2.2主电路 253.2.3 LED显示电路 263.2.4 按键控制电路 273.2.5 转速检测、反馈电路 283.2.6 12V电源电路 303.3硬件设计总结 31第四章 实验运行结果及讨论 324.1 实验条件及运行结果 324.1.1 开环系统运行结果 324.1.2 单闭环系统运行结果 324.2 结果分析及讨论 324.3 实验中遇到的问题及讨论 33结论 34致谢 35参考文献 36论文小结 38附录1 直流电动机调速器硬件设计电路图 39附录2 直流电动机控制系统程序清单 42附录3 硬件实物图 57第一章 绪论1.1直流调速系统发展概况 在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛使用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。 在可调速传动系统中，按照传动电动机的类型来分，可分为两大类：直流调速系统和交流调速系统。交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点，但主要缺点为调速较为困难。相比之下，直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式。 直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机使用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字和模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的使用。 1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把PWM技术使用到电机传动中从此为电机传动的推广使用开辟了新的局面。进入70年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电机控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。PWM常取代数模转换器（DAC）用于功率输出控制，其中，直流电机的速度控制是最常见的使用。通常PWM配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大。在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。 目前，电机调速控制模块主要有以下三种： （1）、采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压，从而达到调速的目的； （2）、采用继电器对直流电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整； （3）、采用由IGBT管组成的H型PWM电路。用单片机控制IGBT管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。1.2 国内外发展概况1.2.1 国内发展概况 我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统开始得到迅速的发展和广泛的使用。用于中、小功率的 0.4200KW晶闸管直流调速装置已作为标准化、系列化通用产品批量生产。 目前，全国各大专院校、科研单位和厂家都在进行数字式直流调速系统的开发，提出了许多关于直流调速系统的控制算法： （1）、直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法。该方法据系统或环节的输入输出特性，使用最小二乘法，即可获得系统环节的内部参数。所获得的参数具有较高的精度，方法简便易行。 （2）、直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。 （3）、单神经元自适应智能控制的方法。该方法针对直流传动系统的特点，提出了单神经元自适应智能控制策略。这种单神经元自适应智能控制系统不仅具有良好的静、动态性能，而且还具有令人满意的鲁棒性和自适应性。 （4）、模糊控制方法。该方法对模糊控制理论在小惯性系统上对其使用进行了尝试。经1.5kw电机实验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。 上诉的控制方法仅是直流电机调速系统使用和研究的一个侧面，国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。1.2.2 国外发展概况 随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机的数字控制调速系统的研究也在不断发展和完善，尤其80年代在这方面的研究达到空前的繁荣。大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现，为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究，提出了内模控制算法、I-P控制器取代PI调节器的方法、自适应和模糊PID算法等等。 目前，国外主要的电气公司，如瑞典ABB公司，德国西门子公司、AEG公司，日本三菱公司、东芝公司、美国GE公司等，均已开发出数字式直流调装置，有成熟的系列化、标准化、模版化的使用产品供选用。如西门子公司生产的SIMOREG-K 6RA24 系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。设计电流范围为15A至1200A，并可通过并联SITOR可控硅单元进行扩展。根据不同的使用场合，可选择单象限或四象限运行的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它任何附加设备便可以完成参数设定。所有控制调节监控及附加功能都由微处理器来实现，可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。 1.2.3 总结 随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。1.3 本课题研究目的及意义 直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。 随着单片机的发展，数字化直流PWM调速系统在工业上得到了广泛的使用，控制方法也日益成熟。它对单片机的要求是：具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM波；有捕捉功能，用于测频；有A/D转换器、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换；有各种同步串行接口、足够的内部ROM和RAM，以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。因此该实验中选用Cygnal公司的单片机C8051F020。 通过设计基于C8051F020单片机的直流PWM调速系统并调试得出结论，在掌握C8051F020的同时进一步加深对直流电动机调速方法、PI控制器的理解，对运动控制的相关知识进行巩固。1.4 论文主要研究内容 本课题的研究对象为直流电动机，对其转速进行控制。基本思想是利用C8051F020自带的PWM口，通过调整PWM的占空比，控制电机的电枢电压，进而控制转速。 系统硬件设计为：以C8051F020为核心，由转速环、显示、按键控制等电路组成。 具体内容如下： （1）、介绍直流电动机工作原理及PWM调速方法。 （2）、完成以C8051F020为控制核心的直流电机数字控制系统硬件设计。 （3）、以该系统的特点为基础进行分析，使用PWM控制电机调速，并由实验得到合适的PI控制及相关参数。 （4）、对该数字式直流电动机调速系统的性能做出总结。 第二章 直流电动机调速器工作原理2.1 直流电机调速方法及原理 直流电动机的转速和各参量的关系可用下式表示： 由上式可以看出，要想改变直流电机的转速，即调速，可有三种不同的方式：调节电枢供电电压U，改变电枢回路电阻R，调节励磁磁通。 3种调速方式的比较表2-1所示. 表2-1 3种电动机调速方式对比 调速方式和方法 控制装置 调速范围 转速变化率 平滑性 动态性能 恒转矩或恒功 率 效率 改变电枢电阻 串电枢电阻 变阻器或接触器、电阻器 2:1 低速时大 用变阻器较好用接触器、电阻器较差 无自动调节能力 恒转矩 低 改变电枢电压 电动机-发电机组 发电机组或电机扩大机（磁放大器） 10:120:1 小 好 较好 恒转矩 60%70% 静止变流器 晶闸管变流器 50:1100:1 小 好 好 恒转矩 80%90% 直流脉冲调宽 晶体管或晶闸管直流开关电路 50:1100:1 小 好 好 恒转矩 80%90% 改变磁通 串联电阻或可变直流电源 直流电源变阻器 3:15:1 较大 差 差 恒功率 80%90% 电机扩大机或磁放大器 好 较好 晶闸管变流器 好 由表2-1知，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最佳，而变电枢电压调速方法亦是使用最广的调速方法。2.2直流电机PWM(脉宽调制)调速工作原理 在直流调速系统中，开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改变加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。在开关放大器中，常采用晶体管作为开关器件，晶体管如同开关一样，总是处在接通和断开的状态。在晶体管处在接通时，其上的压降可以略去；当晶体管处在断开时，其上的压降很大，但是电流为零，所以不论晶体管导通还是关断，输出晶体管中的功耗都是很小的。一种比较简单的开关放大器是按照一个固定的频率去接通和断开放大器，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”的相位宽窄，这样的放大器被称为脉冲调制放大器。 PWM脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得获得所需要波形（含形状和幅值）的技术。 根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有八类方法：相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、非线性控制PWM，谐振软开关PWM、矢量控制PWM、直接转矩控制PWM、空间电压矢量控制PWM。 利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制原理图及输入输出电压波形如图2-1、图2-2所示。当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端由电压。秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2-2所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值为： 式2-1式中 占空比， 占空比表示了在一个周期里，开关管导通的时间和周期的比值。的变化范围为01。由式2-1可知，当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比的大小，改变值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。 在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下是三种可改变占空比的方法： （1）、定宽调频法:保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。 （2）、调宽调频法：保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。 （3）、定频调宽法：保持周期（或频率）不变，同时改变、。 前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率和系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此使用较少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用第3种方法。 图2-1 PWM调速控制原理 图2-2 输入输出电压波形 产生PWM控制信号的方法有4种，分别为： （1）、分立电子元件组成的PWM信号发生器 这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是最早期的方式，现在已经被淘汰了。 （2）、软件模拟法 利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM信号输出。这种方法要占用CPU大量时间，需要很高的单片机性能，易于实现，目前也逐渐被淘汰。 （3）、专用PWM集成电路 从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已有许多种。这些芯片除了由PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动机系统中，使用专用PWM集成电路可以减轻单片机负担，工作也更可靠。 （4）、单片机PWM口 新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只能在改变占空比时CPU才进行干预。 其中常用后两中方法获得PWM信号。实验中使用方法（4）获得PWM信号。2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统原理2.3.1 单闭环直流调速系统的组成 只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，称为开环调速系统。但开环直流调速系统具有局限性：（1）、通过控制可调直流电源的输入信号，可以连续调节直流电动机的电枢电压，实现直流电动机的平滑无极调速，但是，在启动或大范围阶跃升速时，电枢电流可能远远超过电机额定电流，可能会损坏电动机，也会使直流可调电源因过流而烧毁。因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。（2）、开环系统的额定速降一般都比较大，使得开环系统的调速范围D都很小，对于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求。因此必须采用闭环反馈控制的方法减小额定动态速降，以增大调速范围。（3）、开环系统对于负载扰动是有静差的。必须采用闭环反馈控制消除扰动静差 为克服其缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统，方框图如图2-3所示。在闭环系统中，把系统输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，和系统的输入量进行比较，从而得到反馈量和输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统能提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。基于2407单片机的直流电机PWM调速系统 学 生： 张 洋 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 09020702 指导教师： 周素盈二系统总体方案论证2.1系统方案比较和选择 方案一：采用专用PWM集成芯片、IR2110 功率驱动芯片构成整个系统的核心，现在市场上已经有很多种型号，如Tl公司的TL494芯片，东芝公司的ZSK313I芯片等。这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、过流过压保护功能等。这种专用PWM集成芯片可以减轻单片机的负担，工作更可靠，但其价格相对较高，难于控制工业成本不宜采用。 方案二：采用24071单片机、功率集成电路芯片L298构成直流调速装置。L298是双H高电压大电流功率集成电路，直接采用TTL逻辑电平控制，可用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等电感性负载。其驱动电压为46V，直流电流总和为4A。该方案总体上是具有可行性，但是L298的驱动电压和电流较小，不利于工业生产使用，无法满足工业生产实践中大电压、大电流的直流电机调速。 方案三：采用2407单片机、IR2110功率驱动芯片构成整个系统的核心实现对直流电机的调速。2407具有两个定时器T1和T2。通过控制定时器初值T1和T2，从而可以实现从任意端口输出不同占空比的脉冲波形。2407控制简单，价格廉价，且利用2407构成单片机最小使用系统，可缩小系统体积，提高系统可靠性，降低系统成本。IR2110是专门的MOSFET管和IGBT的驱动芯片，带有自举电路和隔离作用，有利于和单片机联机工作，且IGBT的工作电流可达50A，电压可达1200V，适合工业生产使用。 综合上述三种方案，本设计采用方案三作为整个系统的设计思路。2.2系统方案描述 本系统采用2407为控制核心，利用2407产生的PWM经过逻辑延迟电路后加载到以IR2110为驱动核心，IGBT构成的H桥主干电路上实现对直流电机的控制和调速。本系统的控制部分为5V的弱电而驱动电路和负载电路为110V以上的直流电压因此在强弱电之间、数据采集之间分别利用了带有驱动功能的光耦TLP250和线性光耦PC817实现强弱电隔离，信号串扰。具体电路框图如下图2-1图2-1系统整体框图2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统原理2.3.1原理框图 该系统原理框图如图2-3所示，转速反馈控制环的调节是利用单片机软件实现的PI调节。图中虚线部分是采用单片机实现的控制功能。2.3.2 单闭环直流调速系统的组成 图2-3 数字式转速负反馈单闭环直流调速系统 只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，称为开环调速系统。但开环直流调速系统具有局限性：（1）、通过控制可调直流电源的输入信号，可以连续调节直流电动机的电枢电压，实现直流电动机的平滑无极调速，但是，在启动或大范围阶跃升速时，电枢电流可能远远超过电机额定电流，可能会损坏电动机，也会使直流可调电源因过流而烧毁。因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。（2）、开环系统的额定速降一般都比较大，使得开环系统的调速范围D都很小，对于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求。因此必须采用闭环反馈控制的方法减小额定动态速降，以增大调速范围。（3）、开环系统对于负载扰动是有静差的。必须采用闭环反馈控制消除扰动静差，为克服其缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统，方框图如图2-2所示。在闭环系统中，把系统输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，和系统的输入量进行比较，从而得到反馈量和输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统能提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。图2-2 闭环系统方框图对于调速系统来说，输出量是转速，通常引入转速负反馈构成闭环调速系统。在电动机轴上安装测速装置，引出和输出量转速成正比的负反馈电压，和转速给定电压进行比较，得到偏差电压，经过放大器A，产生驱动或触发装置的控制电压，去控制电动机的转速，这就组成了反馈控制的闭环调速系统，如图2-4所示。图2-4 转速负反馈单闭环直流调速系统静态框图2.3.3速度负反馈单闭环系统的静特性 由图2-3，按照梅森公式可以直接写出转速给定电压Un*和负载扰动电流IL和转速n的关系式如下： 式2-2 其中,闭环系统的开环放大系数为： 式2-3开环系统的负载速降为： 式2-4由式2-2闭环时的负载速降为： 式2-5 上式表明采用速度闭环控制后，其负载速降减小了（1+Kol）倍，使得闭环系统的机械特性比开环时硬得多；因而，闭环系统的静差率要小得多，可以大大增加闭环系统的调速范围。 2.4 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统 在电动机的闭环调速中，速度调节器一般采用PI调节器，即比例积分调节器。常规的模拟PI控制系统原理框图见图2-5，该系统由模拟PI调节器和被控对象组成。 r(t)是给定值，y(t)是系统的实际输出值，给定值和实际输出值构成控制偏差e(t)。 (2-6) e(t)作为PI调节器的输入,u(t)作为PI调节器的输出和被控制对象的输入。所以模拟PI控制器的规律为: (2-7) 式中Kp-比例系数,TI-积分常数。 比例调节的作用是对偏差瞬间做出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数，比例系数越大，控制越强，但过大会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。 积分调节的作用是消除静态误差。但它也会降低系统响应速度，增加系统的超调量。 图2-5模拟PI控制系统原理图 采用DSP对电动机进行控制时，使用的是数字PI调节器，而不是模拟PI调节器，也就是说用程序取代PI模拟电路，用软件取代硬件。将式3-6离散化处理就可以得到数字PI调节器的算法： （2-8） 或 （2-9） 式中k-采样序号，k=0，1，2，；uk-第k次采样时刻的输出值； ek-第k次采样时刻输入的偏差值； KI-积分系数，； u0-开始进行PI控制是的原始初值。 用式（3-8）计算PI调节器的输出比较繁杂，可将其进一步变化，令第k次采样时刻的输出值增量为： （2-10） 所以 （2-11） 或 （2-12） 式中-第k-1次采样时刻的输出值,-第k-1次采样时刻的偏差值, -,-。 用式（2-11）或式（2-12）就可以通过有限次的乘法和加法快速地计算出PI调节器的输出。 以下是用式（2-12）计算的程序代码： LT EK ； MPY K2 ；K2是Q12格式， LACC GIVE ；给定值 SUB MEASURE ；减反馈值 SACL EK ；保存偏差值 LACC UK，12 ； LTA EK ；，Q12格式， MPY K1 ；k1是Q12格式， AP AC ；，Q12格式 SACH UK，4 ；保存以上程序代码只用10条指令。如果用40MIPS，只需250ns时间，足可以用于实时控制。三硬件电路的模块设计3.1 H桥电机驱动电路 图3-1所示的H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。如图3-1所示，要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 图3-1H桥驱动电路 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图3-2所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经 Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向 转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。 图3-2 H桥驱动电路 图2-3所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。 图3-3 H桥驱动电路3.2放大电路的连接电路 IR2111外围电路如图所示。单片机输出的PWM信号经光耦PC817后，输出至IR2111输入端，此处的光耦对PWM信号起到隔离、电平转换和功率放大的作用。图中，、为光耦上拉电阻，其值根据所用光耦的输入和输出地电流参数决定：为电容滤波电容，为自举二极管，、为栅极驱动电阻。3.3键盘输入电路 本系统采用键盘，如图3.5所示。图3.5为按钮电路3.3测速电路设计 一个完善的闭环系统，其定位精度和测量精度主要由测量元件决定，因此，高精度的测量转速对测量元件的质量要求相当高。光电编码器是现代系统中必不可少的一种数字式速度测量元件，被广泛使用于微处理器控制的闭环控制系统中。3.3.1光栅盘 光栅盘是在圆盘边刻有很多光栅。当光源照射到光栅部分时，没有被光栅挡住的光源就透射过去。本系统中采用了一个圆面上刻有60个均匀光栅格的光栅盘。当电机旋转一周时，会产生60个光脉冲信号。3.3.2 光电传感器 光电传感器原理是有一个发光二极管和一个由光信号控制放大的三极管组成。由发光二极管发出红外光线通过3mm宽的气隙透射到另一端的三极管上，使得该三极管导通。其特征如下：气隙是3mm。分辨率达到0.5mm。大电流传输比。暗电流为：0.25在=10mA时，发光二极管产生的光线的波长为940nm。安装时将光栅盘圆面钳到沟槽中，光电传感器的发光二极管发出的红外线通过3mm气隙照射到光栅盘，光通过光栅盘面上透光的光栅气隙可以使得光传感器的三极管导通，从C极会输出一个低电平，被光栅挡住的光不能透过去，使得光电传感器的C极会输出一个高电平。3.6光电传感器原理图 光电传感器在硬件电路设计上很简单, 如图3.7。在光电传感器的1引脚上接一个限流电阻R，限制流过发光二极管的电流=10mA左右。计算公式如下： 其中，3.7光电传感器设计图3.4 稳压电源电路 电池放电时内阻稳定的增大，电压则稳定的减小， 而且接上大功率的负载时电压会瞬时降低， 不能用于提供固定的电压，对于各种IC芯片需要的稳定电压， 需要专门的稳压器件，或者稳压电路， 基本的稳压器有两种：线性（LDO）和开关（DCDC）， 其中前者只能降压使用，而前者还可以升压使用而且效率很高。 控制芯片89C51的标准供电电压是5V，可以选择使用线性电压调整芯片稳压，如：7805：最大输出电流1.5A，内部过热保护，内部短路电流限制，典型输入电压720V， 输出电压4.95.1V，静态电流典型值4.2mA，压差（输出和输入的差）至少2V。 78L05（电流较小）：最大输出电流100mA，内部过热保护，典型输入电压720V， 输出电压4.755.25V，静态电流典型值3mA。LM317（电压可调）：输出电流可达1.5A，输出电压1.2V37V，内部过热保护等。 选用7805，一方面简单；另一方面比较常用且比较便宜。 LM78系列是美国国家半导体公司的固定输出三端正稳压器集成电路。我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一类串联集成稳压器。内置过热保护电路，无需外部器件，输出晶体管安全范围保护，内置短路电流限制电路。对于滤波电容的选择，需要注意整流管的压降。 稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成， a.整流和滤波电路：整流作用是将交流电压变换成脉动电压。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压。 b.稳压电路：由于得到的输出电压受负载、输入电压和温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压。3.8光电传感器设计图三端集成稳压器LM7805正常工作时，输入、输出电压差23V。C1为输入稳定电容，其作用是减小纹波、消振、抑制高频和脉冲干扰，C1一般为0.10.47f。C2为输出稳定电容，其作用是改善负载的瞬态响应，C2一般为1F。使用三端稳压器时注意一定要加散热器，否则是不能工作到额定电流。二极管IN4007用来卸掉C2上的储存电能，防止反向击穿LM7805。查相关资料该芯片的最大承受电流为0.1A，因此输入端必须界限流电阻R1，R1=(12*0.9-5)/0.1=58，取近似值，选用70的电阻。3.5显示电路 液晶显示模块（LCD）由于其具有功耗低、无电磁辐射、寿命长、价格低、接口方便等一系列显著优点，被广泛使用和各种仪表仪器、测量显示装置、计算机显示终端等方面。其中，字符液晶显示模块是一类专用于显示字母、数字、符号的点阵式液晶显示模块。TS1620字符液晶显示模块以ST7066和ST7065为控制器，其接口信号功能和操作指令和HD44780控制器具有兼容性。字符液晶有81、162、202、402等20多种规格型号齐全的字符液晶显示模块，均具有相同的引线功能和编程指令，和单片机的接口具有通用性。下图为外观机构。TS1620的引脚和功能表下图所示。引脚好 引脚符号 名称 功能 1 GND 电源地 接5V电源地端 2 VDD 电源正端 接5V电源正端 3 VEE 液晶驱动电压端 电压可调，一端接地，一端接可调电阻 4 RS 寄存器选择段 RS=1为数据寄存器，RS=0为指令寄存器 5 RW 读/写选择端 RW=1为读数据，RW=0为写数据 6 EN 读/写使能端 写时，下降沿触发；读时，高电平有效 7至14 DB0DB7 8位数据线 数据总线 TS1620模块和单片机的接口简单，PIC18F单片机的连接图如总图所示。PIC18F458的RD0-RD7端口直接和TS1620-1的DB0-DB7相连接，TS1620-1的控制信号RS、RW、EN分别和PIC18F458的RE0-RD2相连接。3.6时钟电路 单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作，因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30pF左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的频率高低，振荡器的稳定性和起振的快速性，晶振的频率越高则系统的时钟频率也越高，单片机的运行速度也越快。图3.9时钟电路本设计采用频率为12MHZ，微调电容C1和C2为30pF的内部时钟方式，电容为瓷片电容。判断单片机芯片及时钟系统是否正常工作有一个简单的方法，就是用万用表测量单片机晶振引脚（18，19脚）的对地电压，以正常工作的单片机用数字万用表测量为例：18脚对地电压约为2.24V，19脚对地电压约为2.09V。4.3 复位电路 复位是单片机的初始化操作，其主要作用是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作失误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。图3.10 复位电路单片机的复位电路在刚接通电时，刚开始电容是没有电的，电容内的电阻很低，通电后，5V的电通过电阻给电解电容进行充电，电容两端的电会由0V慢慢的升到4V左右（此时间很短一般小于0.3秒），正因为这样，复位脚的电由低电位升到高电位，引起了内部电路的复位工作，这是单片机的上电复位，也叫初始化复位。当按下复位键时，电容两端放电，电容又回到0V了，于是又进行了一次复位工作，这是手动复位原理。 该电路采用按键手动复位。按键手动复位为电平方式。对于怀疑是复位电路故障而不能正常工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断，单片机正常工作时第9脚对地电压为零，可以用导线短时间和+5V连接一下，模拟一下上电复位，如果单片机能正常工作了，说明这个复位电路有问题，其中电平复位是通过RET端经电阻和电源VCC接通而实现的，当时钟频率适用于12MHZ时，C取100uF，R取10K，为保证可靠复位，在初识化程序中应安排一定的延迟时间。软件电路的模块设计 直流电机转速控制器的软件设计和系统功能的开发和完善是一个循序渐进过程，本文所作的软件开发是基于直流电机多速控制器的基本功能要求设计的该系统软件有主程序、功能键处理程序、电机运行显示程序、键盘设置参数程序测速程序、延时子程序等。 该系统的整个软件设计全部采用模块化程序设计思想，由系统初始化模块、案件识别模块、LCD模块、高优先级和低优先级中断服务程序四大模块组成。整个软件的主程序框图如图4-1。图4-1整个软件的主程序框图通过控制总中断使能PDPINTA控制电机的开关，其中定时器T1,T2分别对脉冲的宽度、光电传感器输出的脉冲数对应的1秒时间定时。对脉冲宽度的调整是通过改变高电平的定时长度，由变量high控制。变量change、 sub_speed 、add_speed分别实现电机的转向、加速、减速。4.1系统初始化模块 /*主函数*/ void main() P2 = 0x00; TMOD = 0x11; TH1 = 0xec; /定时器T1设置参数 TL1 = 0x78; TH2 = 0x3c; /定时器T2设置参数 TL2 = 0xb0; TR1 = 1; TR2 = 1; init(); /液晶显示初始化程序 while(1) Wc2407r(0x84); wc2407ddr(H); wc2407ddr(e); wc2407ddr(l); wc2407ddr(l); wc2407ddr(o); if(test = 0) num_medium+; datamade(); motor_control(); 4.2 电机运行控制模块 电机运行控制模块包括电机的方向控制和电机的速度控制，他们由Open，close，addspeed，subspeed，swap变来控制2407单片机的EVA模块产生不同的PWM信号送到L298 电机驱动器。/*通过按键实现对电机开关、调速、转向的控制的程序*/ void motor_control() if(open = 1) PDPINTA = 1; if(close = 1) PDPINTA = 0; if(swap = 1) change = change; while(swap != 0) if(sub_speed = 1) high+; if(high = 30) PDPINTA=0; while(sub_speed != 0) if(add_speed = 1) high-; if(high = 5) high = 5; while(add_speed != 0) 4.3 测速软件设计 常用的光栅测速方法有三种:测频法(M法)、测周法(T法)和测频测周法(M/T法) M法测速是测定在一定时间内，脉冲的个数，从而转换为速度。 本系统采用M法则测速。设置2407单片机内的定时器/计数器TIME1于计数器模式;在20个时钟周期内定时期间