直流电机控制器的设计

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）具有转向控制功能。

（3）可任意定义并控制转速。

（4）转速范围在60～600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30～800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4×4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。

AT89S52

键盘输入

P3.0正转控制P3.1反转控制P3.2计数输入P3.3红外输入

数码管显示（段码）

数码管显示（位选）

B

C

D

6

543

2

C1104

1

2J2

L1L2L3

L4

A

-+

MG1Q18050

Q28050

Q38050Q48050

Q5D882

Q6D882

Q7B772Q8

B772D14007D24007D34007

D4

4007

U1

PC817

U2

PC817

Q9

9012Q109012

R1150

R247K R3100K

R4510

R547K R6100K R7

47K R8510

R9150

R1047K R1147K

R12100K

R13510R1447K

R15100K R047K

R1647K R17510C2104+C310U

1

2J3

C4

104+

C510U

1

J01

J1PWM1PWM2

+12V

+12V VCC VCC

VCC

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

图2 电机驱动原理图