【《直流调速系统的Protues仿真模型搭建分析案例》3800字】

直流调速系统的Protues仿真模型搭建分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u7637直流调速系统的Protues仿真模型搭建分析案例 168871.1直流电机驱动方案 1149601.2按键模块设计方案 573111.3数码管显示模块设计方案 5259051.4电机转速获取方案 6273231.5最终方案的确定及仿真电路图 7Protues仿真是单片机开发中不可或缺的关键一步；通过仿真验证调速方案的可行性，可以为硬件调速系统的设计提供参考并能有效缩短开发周期。根据所需要实现的功能在Protues中搭建仿真电路；电路采用AT89C52芯片作为主控芯片。如图2-1所示，再需确认直流电机驱动方案，设计按键模块、数码管显示模块、和电机模块等即可完成仿真电路的设计。图2-1Protues仿真电路设计框图1.1直流电机驱动方案直流电机的驱动不同于数字信号电路，直流电机的驱动器需要能够提供大电流，且应有使能端，可以接受控制直流电动机启动和停止的逻辑信号。根据上述要求，电动机的驱动方案应该选择H桥式驱动电路。图2-2中所示的为一个典型的H桥直流电机控制电路。H型桥型的电动机驱动电路由四个开关管构成。要使电机工作，就得把一对对角线上的开关管接通。不同的开关管对导通时，电流可能会经过直流电机电机由左端向右端流动或者由右端向左端流动，从而控制电机向不同的方向旋转。图2-2H桥驱动电路示意图例如，如图2-3所示，当开关管Q1和开关管Q4同时处于导通状态下时，电流将从电机的左端流入，并从电机的右端流出，使电机按2-3图中所示的方向进行转动（此时电机外围的箭头所指向的为顺时针方向）。图2-3Q1、Q4导通，电机顺时针旋转当H桥工作并驱动电机转动时，必须要确保H桥上位于同侧桥臂上的两个开关管不会同时处于导通状态下。当开关管Q1和开关管Q2同时处于导通状态下时，此时的电流就会从正极出发，依次流经这两个开关管然后直接流回到负极。这个时候的电路中并没有除了开关管以外的任何其他负载，并且驱动电机的电源往往电压很高，所以这时电路上流过的电流就会达到一个很大的值，这时电流的大小仅仅受限于电源的性能。当过大的电流流经电路，会严重影响电路的正常工作，甚至烧坏开关管。充分考虑上述问题后，在实际的驱动电路设计方案中通常需要加入使用起来方便可靠的硬件电路来精确可靠地控制开关管的开关过程。图2-4所示的就是为了实现上述功能并基于上述的这种要求而设计实现的改良驱动电路，它增加了两个非逻辑门和两个与逻辑门。四个逻辑门电路和一个使能导通信号（ENABLE）相连。通过这个信号，可以实现对整个线路的开关进行控制。这两个非门的功能就是保证在H桥的同一侧桥臂上始终有一根并且仅有一根开关管能够接通。（下图所示的电路示意图与本节前面的示意图一样，图2-5所示也并不是一个能够独立工作的完整的电路图，特别需要强调的是图中的与门和开关管是不能直接相连的）图2-4具有使能控制端和方向控制信号的驱动电路采用以上方法时，就仅仅需要三个独立的信号便可以方便地控制电机的旋转状态，这三个信号分别是：一个控制整体驱动电路开始工作的使能信号和两个控制方向的方向信号。如果作用于DIR－L端口的为低电平的输入信号，作用于DIR－R端口的为高电平的输入信号，并且作用域使能端的是高电平的输入信号，那么将会使开关管Q1和Q4工作在导通状态下，开关管Q2和Q3工作于截止状态，电流会从电机的左端流向电机的右端（如图2-5所示）；反之，如果作用于DIR－L端口的为高电平的输入信号，而作用于DIR－R端口的为低电平的输入信号，那么将会使开关管Q2和Q3工作于导通状态，开关管Q1和Q4工作于截止状态，电流会反向，从电机的左端流向电机的右端。图2-6使能信号和方向控制信号的作用实际使用的时候，为了提高整体的系统开发的效率，通常直接购买现在市面上的各种种类封装的高电压大电流的H桥集成电路芯片，只需要接上给电机供电的电源和给控制信号供电的电源、直流电机和控制器的负载发出控制信号的端口就可以直接用来控制电机的运动状态，当其位于额定的电压和电流内时，使用起来十分的便捷且可靠性高。目前在直流驱动调速系统中常用的有L293D、L298N等。根据上述分析，本设计采用L298N作为直流电机的驱动芯片，如图2-7所示；在L298N的内部，集成了四个通道的逻辑驱动器。它含有两个的高压、大电流双全桥驱动器，通常是被用作二相电机和四相电机的专用驱动器，能够驱动46V、2A以下的电机；L298N受标准TTL逻辑电平（TTL）信号的控制。桥型电路的特点在于可以非常容易地控制电动机的方向和转速。电子开关具有驱动功率低且开关频率很高的优点，相比于机械开关而言稳定性也极佳，是一种广泛应用于直流PWM调速系统设计的直流电机驱动芯片。L298N最多可以同时驱动两个电机运动，在OUTl、OUT2输出管脚和OUT3、OUT4输出管脚之间分别接入两个直流电动机即可。5、7管脚和10、12管脚可以通过分别接控制器输出的控制电平，从而分别独立地控制两个电机的正转和反转；ENA、ENB管脚是控制的使能端，可以分别控制两个电机的转动和停止，于是可以利用管使能端的特性，将使能端接上单片机输出的PWM控制信号，这样就可以利用单片机控制电机的转速。图2-7L298N电机驱动芯片如图2-8所示，单片机输出的PWM信号接在ENB端口上，同时IN3和IN4端口接在单片机上负责输出控制电机转动方向信号的端口上，以此来控制电机的旋转方向，通过编程使单片机这里两个端口输出的电平始终为一个高电平一个低电平；对应的OUT3和OUT4输出端口接在直流电机的两端。图2-8L298N接线示意图1.2按键模块设计方案为了能实现对直流调速系统给定转速和电机旋转方向的控制和调整以及实时获取电机的转速信息，最简单的方式就是通过按键增大或减小给定转速以及改变旋转方向和LED数码管显示。所设计的按键模块由三个独立的按键开关组成，它们分别控制电机的正反转、速度的减小和增加。电机状态设定的按键设计其要点是对按键进行去抖动的处理。本设计中选用机械弹性开关作为按键，这种开关在动作的过程中往往都会伴随有一连串的抖动产生，这种抖动的产生会使系统误判断按键开关被多次按下，并其产生多次响应，为了不产生这种现象来影响系统的正常工作就必须对机械触点按键进行按键消抖处理。按键的消抖处理常用的有两种方法：采用硬件消抖电路和软件法去抖动。然而在需要使用微处理器进行控制的系统中，使用硬件电路去抖就显得比较复杂且浪费资源。所以，本设计中采用的是软件法消除按键抖动。软件法去抖动的实质是利用延时程序多次检测按键状态进行按键去抖。由于抖动时间很短，当有按键被按下并且程序中检测到按下时，通过对程序进行一小段延时，然后再检测按键是否仍然处于被按下的状态，若仍处在被按的状态下，则程序判定为按键被按下一次，这样就可以消除按键抖动带来的影响。软件法去抖动所需要的延时时间往往在20ms作用，在本例设计中应大于20ms以确保按键按下一次不会被误识别为多次按下。1.3数码管显示模块设计方案数码管主要是用于电机转速的显示。本设计中选用两组数码管来分别显示操作者设定的给定转速和电机实时的实际转速。如图2-9所示，数码管有可分为共阴极数码管和共阳极数码管；这两种数码管单片机都可以对其进行驱动，但是驱动的方法却不同。本设计中选取的是两组共阳极四位一体数码管7SEG-MPX4-CA。图2-9（a）数码管封装的管脚排列（b）共阳极数码管结构（c）共阴极数码管结构 数码管的数字显示需要先在单片机程序中定义段码和位码，然后根据单片机内的数据查询对应的段码和位码。数码管的显示还需要搭配电阻和锁存器；其中，电阻的作用为上拉电阻，将单片机P0口作为I/O端口，上拉电阻为锁存器能和TTL信号兼容以便正确传输数据；如图2-10，锁存器选用74HC573芯片，这种电路可以直接与系统总线相连接从而驱动总线，同时并不需要外接端口；同时，既可以驱动低阻抗的负载，也可以驱动大功率的电容性负载，特别适合作为缓冲寄存器使用在单片机系统中。图2-1074HC573锁存器图2-11数码管显示模块接线示意图 选用74HC573刚好可以满足八位的数据传输用来控制八个数码管的位选。整体数码管显示模块的接线如图2-11所示，其两片74HC573锁存器的LE引脚分别接单片机的P1.6和P1.5端口，通过程序控制其工作模式，使锁存器交替传输数据，从而数码管的动态刷新，实现转速数据的实时显示。这种设计的好处在于仅仅占用单片机10个I/O端口，就可以控制两组四位数码管显示数据，大大节省了单片机的引脚的使用。1.4电机转速获取方案想要构建闭环的直流调速系统，则必须要获取电机的实时转速数据，在实际中可以用光电码盘和光电传感器构成测速系统，而在Proteus中只有一种直流电机模型集成了测速传感器，在搜索栏里搜索motor-encoder，即可得到这种电机模型，如图2-8所示。本设计中设置电机转一圈发出60个脉冲。根据实际运转情况及结合所编写程序，确定转速公式为：V=1.37N。其中V为电机转速，单位是R/min；N为采样的脉冲个数。1.5最终方案的确定及仿真电路图根据上述确定的各模块的方案所搭建的Protues仿真模型如图2-12所示。图2-12Protues仿真模型本系统采用AT89C52单片作为控制芯片，用按键模块来调节电机转速和旋转方向，并用两组四位一体的数码管来分别显示设定的转速和测量转速；确定电机驱动器的选择为使用H桥组成的高电压大电流双全桥式驱动芯片L298作为本系统的驱动电路，最后利用Protues元件库中的带有测速计的电机模型来取得电机的实际转速。为了方便后续程序的调