直流电机控制器的设计

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1、直流电机控制器（华侨大学信息学院08自动化）摘要目前见到的许多关于直流电机的测速与控制类文献中，虽然能实现直流电机的无级调速，但还存在一些问题，如无法与计算机直接接口，许多较为复杂的控制算法 无法在不增加硬件成本的情况下实现，控制器的人机界面不理想。总的来讲，控制器的 智能化程度不高，可移植性差。虽然采用PWM芯片来实现电机无级调速的方案成本较 低，但当控制器针对不同的应用场合增加多种附加功能时，其灵活性不够，而且反而增 加硬件的成本。还有一些使用PLC控制器或高档处理器芯片（如DSP器件）的文献， 它们虽然具有较高的控制性能，但由于这些高档处理器价格过高，需要更多的外围器件， 因此也不具备在

2、通常情况下大规模使用的条件。从发展趋势上看，总体的研究方向是提 出质量更高的算法和调速方案，以及在考虑成本要求的前提下选择适合这种算法的核心 控制器。本设计采用MCU（AT89S52），完成了小型直流电机转速的采集、计算、显示、键盘 设定，采用直流电机的PWM调速，实现了对电机转速的测量和控制，解决了通常低采 样周期时系统的超调以及积分饱和问题。关键词单片机；转速；调速；显示一、设计任务与要求1、设计任务设计并制作一个直流电机控制器，控制电机的转速、转向和转速显示(用数码管动 态显示)。2、技术指标a. 基本要求(1) 具有转速显示功能(在同一 CPU上，并留有测试点)。(2) 具有转向控制功

3、能。(3) 可任意定义并控制转速。(4) 转速范围在60600转/分钟之间连续可调。(5) 可显示任一时刻的占空比。(6) 任何时候控制信号无明显跳变。b. 发挥部分(1) 转速范围扩展至30800转/分钟之间连续可调。(2) 可按步进.30转调整转速。(3) 用键盘输入任意占空比控制电机(大于60转/分)，该状态下仍可按步进.10转 调整转速。3、题目评析本题的重点是实现转速的可调可控；难点在于电机的驱动以及控制的算法；由于电 机的广泛应用，实现电机的调速控制，实用价值很大。二、方案比较与论证根据设计任务，需要设计一个直流电机控制系统。该系统采用脉宽调速，使电机速 度等于设定值，并且实时显示

4、电机的转速值。通过对设计功能分解，设计方案论证可以 分为：速度测量方案论证，电机驱动方案论证，键盘显示方案论证，PWM软件实现方 案论证。1、转速测量方案论证方案一：使用红外对射管测速。硬件简单，只要使用两个电阻，一个红外对管，即 可完成要求。方案二：使用红外反射管测速。硬件需要电压比较器，使得硬件电路板比较繁琐。2、电机驱动方案论证方案一：采用专用小型直流电机驱动芯片。这个方案的优点是驱动电路简单，几乎 不添加其它外围元件就可以实现稳定的控制，使得驱动电路功耗相对较小，而且目前市 场上此类芯片种类齐全，价格也比较便宜。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进

5、行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损 坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作 在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止 模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的 速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。本次设计不得使用专用模块，所以本设计采用方案三。3、键盘显示方案论证方案一：采用4X4键盘，可直接输入设定值。显示部分使用8位数码管，优点是显 示数据充分，缺点是功耗大，动态显示耗时长。方案二：使用4个按键，进

6、行逐位设置，操作繁琐。显示部分是使用LCD，优点是 功耗低，软件编程简单，不符合题目要求。根据设计要求，本设计采用方案一。4、PWM软件实现方案论证脉宽调制的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。本设计采用了定频调宽 方式，采用这种方式的优点是电动机在运转时比较稳定，并且在采用单片机产生PWM 脉冲的软件实现上比较方便。对于实现方式则有两种方案。方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确， 误差只在几个us。方案二：采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后， 将有一定的误差。但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生

7、的定时误差在允许范围。因此选择方案一。三、硬件部分总体框图：系统原理框图如图所示，是一个带键盘输入和数码管动态显示测量控制系统。主体 思想是通过系统设定信息计算输出控制信息。图1整机框图四、各模块的分析、计算与硬件电路设计1、速度测量电路的设计1.1转速/频率转换电路的设计理论上，是先将转速转化为某一种电量来测量，如电压，电流等。设计中将转速测 量转化为电脉冲频率的测量。基于这一思想，在电机转轮剪成锯齿型，总共有八个齿， 这样，每转一圈，三级管（红外接收头）透光导通八次，OUT端变化十六次，即完成 了转速/频率的转换。1.2电机驱动电路的设计9|R0 47K9012PC817+12Vj0 PW

8、M1U1R2 47K白平050R3100KR73 72772B8050VCCQ5M-C3D88D7R1147KR12 100KR6 100KR1647K+10UQ6 882U2密0D2 D4007 400MG1 L4510R1312子恐|_1R9f 150L10 47KJ1P1 M2图2电机驱动原理图ATitleSizeNumberRevisionBDate:26-Mar-201 1, Shesc of_ .File:E:桌备份2010年福建省电子设计大赛电子设计B赛培训电机电机驱动电路ddb1.4 LED数码管显示电路的设计1- 22- 33- 44321JP2LCDDSYLED图3 LED

9、数码管显示电路1.5 4X 4矩阵键盘的设计矩阵键盘又称为行列式键盘，它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。 在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这样键盘中按键的个数是4X4个。这种行列式键 盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O 口的利用率。图为矩阵键盘电路图，行线接P1.4-P1.7，列线接P1.0-P1.3oP15P16P17P10P11P124距阵键盘0LComment: 0P14 _014589CDK1KP13独立键盘K1图4跄矩阵键盘电路K3K4VCCP14P15P16P17K5P14P15RESEP16P17伟 图5按键排列键盘程序设计的任务是赋予各

10、按键相应的功能，完成速度设定值的输入和向控制器 的发送。09作为占空比数字键输出；A：正转命令；8：反转命令；C：占空比输入命令键；D：步进0.3rpm键;E：步进 0.1rpm 键；F： stop 键五、程序流程框图N返回五、结束语本设计完成了设计的基本要求和扩展要求，由于所使用的直流电机的启动速度在 200转/分左右，所以电机的转速测量控制范围为30800转/分。另外，参数的确定需要 反复的实验观测，所以本系统的各参数设置不一定都是较理想的选择，但系统稳定时控 制精度可达1转/分。根据实际需要，若要进一步提高系统控制的反映速度、精确度和 稳定度还需要设计更稳定和精确的转速测量电路以及设置更

11、准确的参数。类型型号数量MCUAT89S521晶振12MHz1电解电容10UF4光耦2电感100UH2瓷片电容104422PF2三极管772288228050490122电阻10K20芯片74LS2452数码管共阳8二极潸1N40072排阻10K4开关微动17自锁1红外对管1发光二极管3排针若干导线若干#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code key_code=0xee,0xed,0xeb,0xe7,0xde,0xdd,0xdb,0xd7, 0xbe,0xbd,0xbb,0xb7,0x7e,0

12、x7d,0x7b,0x77 ;uchar code dispcode=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0xBF,0x86,0xDB,0xCF,0xE6,0xED,0xFD,0x87, 0xFF,0xEF,0x63,0x5c,0x00,0x40,0x01,0x08;定义共阴极字型码 0123456789-0.1.2.3.20 口，21 口，22 消隐23-24上-,25下-sbit ZZ=P3人0;/控制端sbit FZ=P3A1;/Z控 制端sbit CE=P3A2; /测速sbit HW=P3A3;/控制端void init

13、_sys(void);void fanzh();void zhenzh();void stop();void set_z();void set_s3();void set_s1();ucharZKB1,ZKB2,pwm1,pwm2,Key,ZKB,biao,biao1,hui,MM. ;uint sudu=0,count,zhong,hui1;/*延时子函数*/void delayms(uint ms)uchar t;while(ms-)for(t = 0; t 100; t+);/* 显示子函数*/void display(uchar i,uint j)P2=0xfe;P0=dispcodei/10;delayms(3);P0=0x00;P2=0xfd;P0=dispcodei%10;delayms(3);P0=0x00;P2=0xfb;P0=biao1;delayms(3);P0=0x00;P2=0xf7;P0=biao;delayms(3);P0=0x00;P2=0xef;P0=dispcodej1000;delayms(3);P0