直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設計

朱通

（天津工業(yè)職業(yè)學院，天津，300400）

0 引言

隨著科技水平的日益提高，自動化、直流電機控制相關技術也越來越完善，國內(nèi)外學者對于直流電機的研究不斷地深入。因此，目前直流電機發(fā)展越來越迅速。相比于交流電機而言，直流電機在生產(chǎn)成本以及維護成本等方面的確處于劣勢，但是直流電機具有啟動性能好以及速度平穩(wěn)性高等特點。因而直流電機常常被應用到需要自由移動、沒有交流電的場景中。最早具有調(diào)速功能的電機是直流電機，直流電機作為應用最為廣泛的電機中的一種，在平時的生產(chǎn)生活中發(fā)揮著不可替代的作用，所以對于直流電機的研究有著十分重要的意義[1]。

同時，在現(xiàn)代社會單片機因為有著成本低、體積小、易于操作等優(yōu)點得到普遍應用，在電機控制方面也有著廣泛的結合應用并取得較好的效果。正是由于目前單片機功能比較強大，適用范圍較廣，同時能夠滿足本系統(tǒng)設計需求，為整個系統(tǒng)提供更為多樣化功能，因此本設計選擇單片機作為控制模塊。目前而言在一些生產(chǎn)領域，需要設定電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向并做到實時監(jiān)控的行業(yè)領域，現(xiàn)有的一些傳統(tǒng)電機系統(tǒng)不能很好地應用其中，為擴大直流電機的應用范圍本系統(tǒng)設計以Atmega128 型單片機為核心，對主控模塊、電源模塊、解碼模塊、通信模塊、下載模塊、數(shù)字顯示按鍵模塊以及電機驅(qū)動模塊等多個模塊，實現(xiàn)直流電機的轉(zhuǎn)速、方向控制以及監(jiān)控等功能，通過設計電路搭建實物平臺，實驗結果表明設計的硬件系統(tǒng)具有良好的性能，且具有一定的實用價值[2]。

1 系統(tǒng)總體構成

本系統(tǒng)主要任務為制作一套基于單片機實現(xiàn)直流電機轉(zhuǎn)速監(jiān)控功能的實驗裝置?？捎冒存I設置電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，單片機基于編碼器實時檢測電機轉(zhuǎn)速信號，運動控制器輸出控制電機按照設定參數(shù)運行，同時使得電機的參數(shù)及運行狀態(tài)都可在LCD 上顯示，且可以通過串口通信將檢測到的電機轉(zhuǎn)速等信息傳送到上位機，其系統(tǒng)總體構成圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體構成

圖2 驅(qū)動模塊電路原理圖

圖3 編碼器反饋模塊原理圖

圖4 RS232 電平轉(zhuǎn)換電路

2 系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)本次系統(tǒng)設計任務，分析完成該系統(tǒng)的硬件組成結構。通過分析構建直流電機轉(zhuǎn)速控制硬件系統(tǒng)，主要包括主控模塊、電機驅(qū)動模塊、編碼器的反饋模塊、通信模塊、數(shù)字顯示按鍵模塊以及電源模塊[3]。

■2.1 主控模塊

作為整個系統(tǒng)控制中心的主控模塊，本系統(tǒng)采用Atmega128 型單片機實現(xiàn)電機速度控制。相對于其他類型的單片機，Atmega128 型單片機具有速度快、外設豐富、穩(wěn)定性好，抗干能力強、驅(qū)動靈活、程序空間和尋址能力大等優(yōu)點[3]。

Atmega128 是AVR RISC 結構的微型處理器，具有8位功能。正是由于該處理器具有單周期指令時間和先進指令集、數(shù)據(jù)吞吐率較高的特點，能夠在一定程度上解決系統(tǒng)在處理速度與功能損耗之間的矛盾問題，因此選用該型號單片機作為系統(tǒng)的控制中心。

■2.2 電機驅(qū)動模塊

采用集成電路LMD18200 實現(xiàn)直流電機單極性驅(qū)動。由于LMD18200 需要24V 電壓提供電源，而主控板輸出的電壓只有5V，所以我們采用LM2576 穩(wěn)壓芯片來實現(xiàn)5V穩(wěn)壓輸出。為了防止因24V 電壓過高而導致電壓逆流，在驅(qū)動板中還加入了光耦隔離芯片防止這種情況的發(fā)生。

■2.3 編碼器的反饋模塊

該部分采用參數(shù)為1024 脈沖/r 的光電編碼器。采用編碼器實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的反饋，如將增量編碼器信號直接連接到單片機I/O 口，則單片機需進行較復雜的數(shù)據(jù)處理獲取電機當前轉(zhuǎn)速，擬利用集成電路HTCL-2032 實現(xiàn)編碼器信號的處理，以減輕主控單片機工作量。HTCL-2032 在改善數(shù)字輸入系統(tǒng)和閉環(huán)運動控制系統(tǒng)方面有一定的作用，它擁有8位總線接口和二進制上下數(shù)狀態(tài)計數(shù)器以及雙軸能力和索引通道計數(shù)器，因為具有施密特觸發(fā)方式，所以可在高噪音環(huán)境下穩(wěn)定運行。同時作為含有32 位計數(shù)器包含正交解碼輸出信號和串級信號的芯片，可以與多種計算機芯片搭配使用，并可以在-40℃~100℃的溫度范圍內(nèi)工作。

在根據(jù)檢測的原理方面編碼器分為電容式、光學式、感應式以及磁式四種。在刻度方法和信號輸出形態(tài)的方面，可分為增量、絕對和混合三種類型。為配合系統(tǒng)搭建，本系統(tǒng)采用增量式編碼器。增分編碼器直接使用光電變換原理輸出球形波脈沖A、B 和Z 位相三組。由于脈沖A 和B兩組之間的相位差為90 度，因此可以很容易地判斷旋轉(zhuǎn)方向，而Z 相位是每旋轉(zhuǎn)一個脈沖，用于指定基準點位置。該編碼器由于具有簡單的原理結構，機器的平均壽命可達數(shù)萬小時以上，具有強大的防干擾能力，適合長距離傳輸，具有很高的可靠性，因此常常被廣泛應用[4]。

■2.4 通信模塊

本系統(tǒng)設置了RS232 通信模塊，方便上位機進行參數(shù)設置及控制效果查詢。RS232 是美國電子工業(yè)協(xié)會制定的一種串行物理接口標準。該標準規(guī)定了一種電氣標準，但它的電平不是地和+5V，是采用了一種負邏輯原理，具體表示如表1 所示。

表1 RS232邏輯對照表

對于TTL 電平的表示如表2 所示。

表2 TTL電平邏輯對照表

表3 點陣型液晶模塊引腳圖

因此，RS232 接口不能和TTL 電平匹配，使用時選用MAX232 作為電平轉(zhuǎn)換芯片。

■2.5 顯示模塊

本系統(tǒng)使用LCD1602 液晶顯示屏作為顯示模塊。通過該顯示模塊可以實時顯示目前系統(tǒng)的狀態(tài)、數(shù)字以及符號等信息。

根據(jù)設計思路，本模塊主要特點如下：

（1）用途：顯示當前電機轉(zhuǎn)速和所設定的電機轉(zhuǎn)速以及PID 參數(shù)。

（2）原理：該LCD1602 最多可顯示32 個字符，第一行16 個字符，第二行16 個字符。從00H 開始共80 個地址位。如果要顯示設定字符，則要將該字符的ASSIC 碼和位置地址作為輸入，然后通過點陣和字模進行輸出。點陣是由小方格組成的，在輸入ASSIC 碼后，LCD1602 會調(diào)用字模存儲器，在字模存儲器中，1 代表實心小方格，0 代表空心小方格，這樣就可以通過無數(shù)個小方格顯示出對應的字符。

■2.6 電源模塊

系統(tǒng)工作時，需要24V 和5V 兩種電壓制式。其中，24V 用來對電機驅(qū)動模塊供電，5V 用來向HTCL-2032 芯片、單片機及LCD1602 等器件供電。24V 直接通過開關電源提供，5V 擬通過LM2576 電源轉(zhuǎn)換芯片提供。

LM2576 各個引腳功能說明如表4 所示。

表4 LM2576各引腳功能

在電路系統(tǒng)中因為LC 過濾器電路可以滿足紋波較高的環(huán)境要求，LM2576ADJ 的工作頻率較高，工作效率在82%以上，不需要很大的電感量。LM2576 的工作原理是：引腳1 是誤差放大器的輸出端，外部頻率補償RC 電路。由于內(nèi)部PWM 比較器的變頻輸出受誤差放大器輸出的控制，RC 電路具有軟啟動功能。啟動后，如果輸出電壓沒有設定，取樣放大器的輸出將充電到C，隨著C 的充電過程，引腳1 電位會慢慢上升，脈沖的幅度會逐漸增大，直到輸出穩(wěn)定在額定電壓。引腳5 是電壓輸入端，允許輸入電壓范圍為4~40V。芯片內(nèi)部有欠壓保護電路，為了防止輸入電壓過低，達不到升降額定電壓時，脈沖幅度急劇增加，使開關管的電流過大而受損。為了防止這種現(xiàn)象，電壓過低保護的閾值隨輸出電壓而變化[5]。用于檢測誤差的放大器輸入內(nèi)部標準與LM2576ADJ 相同。

LM2576 應用注意事項：

（1）反饋線應遠離電感，在電路中的續(xù)流二極管、接地與控制端口以及輸入、輸出電容器的連接線應盡可能的短而粗。

（2）在整個系統(tǒng)設計中不必考慮散熱問題，因為各元器件具有較高的轉(zhuǎn)換效率。

3 系統(tǒng)軟件設計

硬件系統(tǒng)搭建完畢后，需要通過對單片機編程后，通過指令才能實現(xiàn)直流電機轉(zhuǎn)速等功能，主要的程序步驟如下所示[6]：

Step1：根據(jù)硬件實物連接圖，設置單片機各個引腳參數(shù)。

Step2：單片機輸入端設置。按照按鍵與單片機引腳連接方式，給相對應的引腳設定相應值，觸發(fā)某個按鍵，相應引腳產(chǎn)生高低電平變化，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向的控制；同時，電機轉(zhuǎn)速作為輸入端通過解碼后傳輸至輸入端。

Step3：單片機輸出端設置。根據(jù)實物連接圖，通過輸入端電平變化控制輸出端相應引腳產(chǎn)生電平值變化，根據(jù)數(shù)值轉(zhuǎn)化完成速度等功能實現(xiàn)；根據(jù)輸入端輸入轉(zhuǎn)速，輸出相應數(shù)值連接顯示模塊，顯示當前轉(zhuǎn)速。

根據(jù)硬件系統(tǒng)，軟件設計流程圖如圖5 所示。主要是通過判斷按鈕按下方式、判斷當前轉(zhuǎn)速信息來控制電機的運行。

圖5 軟件設計

4 結論

通過搭建實物演示平臺，對硬件系統(tǒng)進行功能驗證，在輸入端輸入一定轉(zhuǎn)速數(shù)值與轉(zhuǎn)向后可以快速啟動電機達到預設轉(zhuǎn)速值，通過顯示模塊可顯示電機實時轉(zhuǎn)速，經(jīng)過多次數(shù)值輸入反復測試，表明該硬件系統(tǒng)可以實現(xiàn)直流電機的控制，且具有良好的性能，可以應用在一些需要轉(zhuǎn)速監(jiān)控的工業(yè)生產(chǎn)中，具有一定的社會價值和經(jīng)濟價值。