一種小型直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

林家泉，程緒宇，周賢民，穆 欣

（中國民航大學(xué) 航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

小型直流電機(jī)采用永磁體建立磁場(chǎng)，不需要?jiǎng)?lì)磁電流，電機(jī)中省去了勵(lì)磁回路，在一定程度上這種電機(jī)的控制也相對(duì)簡單[1-2]，小型永磁直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化裝置中[3]，本文設(shè)計(jì)了以L298N驅(qū)動(dòng)芯片為功率變換器件的直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)電樞電壓的控制，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，給出了所設(shè)計(jì)的硬件電路，并進(jìn)行了控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)具有良好的性能，且有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

直流電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，控制器是STC12C5A單片機(jī)，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并生成控制指令。系統(tǒng)電源模塊產(chǎn)生系統(tǒng)工作所需5 V直流電源和直流電機(jī)工作電源。按鍵以及顯示模塊用來輸入控制指令，并顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)模塊是L298N驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的加減速、正反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)。L298N是一個(gè)全橋式驅(qū)動(dòng)器[4-5]，內(nèi)部集成有2組H橋逆變器，單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)L298N[6-7]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure configuration

測(cè)速模塊采用的傳感器為光電對(duì)管和光柵碼盤。將檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)速傳給單片機(jī)，配合軟件構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 控制器、顯示及按鍵模塊設(shè)計(jì)

控制器、按鍵及顯示模塊電路如圖2所示，控制器選用STC12C5A單片機(jī)，是一款增強(qiáng)8051型單片機(jī)，工作頻率可達(dá)48 MHz，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度更快。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250 k/s），片上有8 KB的程序存儲(chǔ)空間和512 B的RAM，其資源適用于電機(jī)控制。單片機(jī)控制器功能包括：讀取鍵盤輸入的控制指令，完成對(duì)直流電機(jī)速度、電流的實(shí)時(shí)采樣，根據(jù)控制率計(jì)算直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓，輸出L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的PWM控制信號(hào)。作為系統(tǒng)的顯示器件，RA8806是一款帶矩陣鍵盤掃描功能的液晶模塊，支持同時(shí)多按鍵和單鍵長按功能，按鍵輸入可產(chǎn)生外部中斷，按鍵值可通過液晶的8位數(shù)據(jù)總線讀取，極大地節(jié)約了單片機(jī)的I/O資源。同時(shí)，RA8806的顯示分辨率為320×240，支持圖形文字雙層顯示。顯示模塊用來顯示電機(jī)實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)速、電流等信息。采用4×5矩陣鍵盤控制電機(jī)，列線通過電阻連接正電源，列線所連接的I/O口則作為輸入端。行線所接的單片機(jī)的I/O口作為輸出端。鍵盤完成電機(jī)給定轉(zhuǎn)速命令輸入、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制命令輸入。

圖2 控制器顯示及按鍵接口電路Fig.2 Controller display and keyboard interface circuit

2.2 L298N驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，外圍接口電路如圖3所示，該芯片是一個(gè)高電壓、大電流的雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，共有2組，每組由4個(gè)大功率晶體管組成的H橋電路構(gòu)成。最高直流驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到46 V，可承受最高4 A的直流電流，可接受標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平來驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載。Vss接邏輯控制的電源，Vs接電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。IN0～I(xiàn)N1輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，經(jīng)PS2801光耦隔離后連接到INPUT1、INPUT2端，通過控制IN0、IN1這2個(gè)端口上的高低電平組合，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA引腳則為使能控制端，單片機(jī)發(fā)出的PWM信號(hào)連接到ENA端，改變PWM信號(hào)的占空比來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。4個(gè)二極管D8～D11起到保護(hù)L298N芯片的作用。

圖3 L298N驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 L298N driver circuit

2.3 測(cè)速模塊電路設(shè)計(jì)

速度檢測(cè)電路如圖4所示，測(cè)速裝置為WTK-20光電對(duì)管和碼盤，碼盤光柵為100線，每轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)，編碼器輸出100個(gè)脈沖信號(hào)。

圖4 速度檢測(cè)電路Fig.4 Speed sampling circuit

采用M法測(cè)速，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤跟隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)，發(fā)光裝置在一定時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)發(fā)出脈沖，通過計(jì)算在這段時(shí)間內(nèi)的脈沖，就可計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。光電對(duì)管與單片機(jī)之間通過一個(gè)D觸發(fā)器連接，它采集的脈沖A端接在D觸發(fā)器的輸入端D，B端接在CLK上，采用這種接法節(jié)省了I/O口。通過D觸發(fā)器的連接，它的輸出Q接到單片機(jī)上，只用了單片機(jī)的一個(gè)I/O口，節(jié)省了資源。另外還可實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。PULSE_A和PULSE_B接在光電對(duì)管的脈沖輸出端，這2路連續(xù)脈沖序列的相位差為90°。A相超前時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；B相超前時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

2.4 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源分成2部分，一部分是系統(tǒng)工作所需的5 V電源，輸入6～18 V直流電，通過LM2596穩(wěn)壓器輸出5 V電源，經(jīng)濾波后供給系統(tǒng)；另外一部分是直流電機(jī)的工作電源，由220V/50Hz隔離變壓，整流濾波后產(chǎn)生約50V直流，濾波后經(jīng)LM2576HVT可調(diào)穩(wěn)壓器，通過電阻調(diào)節(jié)輸出電壓至電機(jī)的額定電壓，可調(diào)輸出電壓為1.23～57 V，能提供最大3 A的工作電流。LM2576HVT的電源控制端，可接受來自單片機(jī)的控制信號(hào)，為電機(jī)提供過壓過流時(shí)關(guān)斷電源的保護(hù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，采用工程整定法，由小到大調(diào)整參數(shù)。實(shí)驗(yàn)用直流電機(jī)的額定電壓為6 V，使用NI USB-6009型數(shù)據(jù)采集卡，測(cè)量旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器輸出的速度信號(hào)，然后求得信號(hào)頻率，再通過換算獲得轉(zhuǎn)速波形。

電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速為60 r/s，電機(jī)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程如圖5所示，從轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線可看出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)快，超調(diào)量小，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，得到了良好的控制效果。

圖5 速度響應(yīng)曲線Fig.5 Response curve of speed

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了以L298N為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，以STC12C5A單片機(jī)為控制器的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件方案，利用光電對(duì)管和碼盤測(cè)量直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，PWM方式配合直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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