电机驱动控制系统

电机驱动控制系统

摘要

由于单片机具有体积小、集成度高、运算速度快、运行可靠、应用灵活、价格低廉以及面向控制等特点，因此在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和各种家用电器等领域得到广泛的应用，而且发展非常迅猛。随着单片机应用技术水平不断提高，目前单片机的应用领域已经遍及几乎所有的领域。

与交流电动机相比，直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。近年来，直流电动机的机构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）已成为直流电机新的调速方式。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能良好、效率高等优点，更重要的是这种控速方式很容易在单片机控制系统中实现，因此具有很好的发展前景。

本设计为单片机控制直流电机，以AT89C51单片机为核心，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。由键盘控制电动机执行启停、速度和方向等各种功能，用红外对管测量电机的实际转速，并通过1602液晶显示出控制效果。设计上，键盘输入采用阵列式输入，用4*4的矩阵键盘形式，这样可以有效的减少对单片机I/O口的占用。

关键词：AT89C51 PWM 电机测速

一、硬件设计

1、总体设计

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10k

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1.2.2 1602液晶显示模块

本模块实现了转速等显示功能。

D ：方向；占空比；预设转速；实测速度；

1.2.3键盘模块

根据实验要求，需由按键完成对直流电机的控制功能，并经分

析得出需要16个按键，为节省I/O 口并配合软件设计，此模块使用了4*4的矩阵模式。并通过P1口与主机相连。

1.2.4 PWM 驱动电路模块设计与比较

方案一：

电机驱动电路采用“H”桥电路来驱动，H桥电路主要由三极管搭建而成。通过控制三极管的的流通方向进而实现对电机转向的控制，由于51单片机输出端口电压不够大，所以采用H桥电路还需要加光耦隔离器。

方案二：

直接使用一片L298驱动直流电机。

由于H桥电路中使用较多的三极管，会受到三级管的不稳定影响且三极管使用不当易烧坏，整个电路连接比较复杂。因为一片L298可以同时控制两个直流电机且使用比较方便，故选择方案二。

PWM驱动电路如下图：

1.2.5电机测速模块设计与比较

方案一：

用霍尔元件测量电机转速。霍尔元件是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小耐高温等特性。将一块永久磁钢固定在直流电机转轴上的转盘边沿，转盘随转轴旋转，磁钢也跟着同步旋转。在转盘附近安装一个霍尔开关传感器，当转盘随转轴同步旋转时，受磁钢产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，器脉冲信号的频率和转速成正比。这样只要测出脉冲信号的频率或者周期即可求出直流电机的转速。

方案二：

采用光电编码器。其工作原理与光电传感器一样，不过它已将光电传感器、电子电路码盘等做成一个整体，只要用联轴器将光电传感器的轴与转轴相连，就能获得输出信号。

方案三：

用透射式光电对管测量电机转速。基本原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。当不透光的物理挡住发射与接收之

间的间隙时，开关关关断，否则打开。为此，可以制作一个遮光叶安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。若叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。

由于使用霍尔传感器和光电编码器价格昂贵，因此我们采用光电对管测量电机转速。

其具体电路图如下图所示：

二、软件设计

2.1 键盘程序

按键的程序方面，主要是一个消抖动程序和，消抖动程序是非常有必要的，因为在平时没有按下键的时候，有可能会从电源或者其他地方突然产生一个尖峰电压，打在单片机检测按键的I/O口上，令单片机误以为有键按下了；或者是当人按下按键时候，如果手抖动，就会引起按键的接触不良，从而可能在很短时间内通-断多次，而导致单片机的处理错误。

2.2 PWM程序

因为电机调速是本次设计的最主要任务之一，所以PWM程序也是程序中最重要的一环。PWM的调速原理是通过调节一个斩波周期中的脉冲占空比来调节电机功率而达到调速目的。PWM调速子程序是放在定时器0中断中进行的。

2.3 测速程序

测速是本设计的另外一个重点。本设计中测速系统的工作原理为：利用电机轴上带的圆盘的缺口，引起光电开关产生高电平脉冲，单片机就采集此脉冲的宽度，加以计算，得出其实时速度。具体实现如下：

平时缺口不在光电开关处时，光电开关处于断开状态，输入到单片机口电平为低，当圆盘缺口的其中一边刚运转到令光电开关接通时，单片机INT1口电平跳变为高，此时计数器1以内部时钟信号为周期开始计数，然后当圆盘转到缺口的另外一边刚好令光电开关断开时，单片机INT1口产生一个下降沿信号，计数停止，并进入INT1中断子程序，在中断里把脉冲宽度转存出来并经过运算，就可得出实时速度值。

所以，测速程序得用到一个外部中断INT1，以及一个计数器1。

2.4软件流程图

主程序流程图 外部中断0服务程序

定时器0服务程序： 定时器1服务程序：