基于微控制器的电机控制与调速.docx

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基于微控制器的电机控制与调速

课程设计名称：

基于微控制器的电机控制与调速

计算机控制技术课程设计任务书

学生姓名

专业班级

学号

题目

基于微控制器的电机控制与调速

课题性质

工程设计

课题来源

指导教师

主要内容

（参数）

由于使用微控制器，在软硬件结合的基础上，能够在准确度和精确度方面有保证。

任务要求

（进度）

第1天：

熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。

第2天：

确定设计方案。

要求对设计方案进行分析、比较、论证，画出方框图，并简述工作原理。

主要参考

资料

1王威.嵌入式微控制器S08AW原理与实践.北京:

北京航空航天大学出社，2009.1

2邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法.北京:

清华大学出版社，2004

3章吉良等.微传感器原理、技术及应用.上海:

上海交通大学出版社，2005

4Freescale公司，MMA7260QDataSheetRev.3.2006.4

5周杏鹏，仇国富，王寿荣，曹家顺.现代检测技术．北京：

高等教育出版社，2004.1

审查意见

系（教研室）主任签字：

年月日

1引言

本设计为一个标准的驱动系统，系统包括如下几个部分：

信号输入电路、电源转换电路、驱动控制电路、速度检测模块、正反转控制模块。

本设计给出了各个模块的电路图、流程图，各个芯片的管脚图，部分芯片的功能图、逻辑表，以及总的流程图、电路图。

能够实现速度的连续控制与调节，以及电机的正反转，通过算法的设计，能够实现不同速度间的平稳过渡、转向的快速转换。

2方案设计

本设计对硬件的要求不高，但对其抗干扰性有一定得要求，特别是微控制器的热稳定性。

本系统硬件方案论证包括微控制器、电源系统、测速系统、电动机。

2.1微处理器的选择

方案一：

8031芯片内部无ROM，需要外扩程序存储器,由此造成电路焊接的困难，况且使用8031还需要另外购买其他的芯片，如A/D转换及定时/计数器（PWM）等芯片，从而造成成本较高，性价比低。

2.2电机驱动电路的选择

测量重量的传感器有很多种，按工作原理分有弹性力平衡式压力传感器、感应式传感器、应变式传感器、压电式传感器、霍尔式压力传感器、电容式、光纤式、数字式传感器等。

方案一：

采用三极管搭建的电机正反转H桥驱动电路

一个PNP三极管VT1和一个NPN三极管VT2组成一个桥臂，VT3、VT4组成另一个桥臂，4个二极管既做保护又在能耗制动时起续流的作用。

三极管饱和导通时集电极和发射极间压差为0.3V左右，截止时电阻很大，因此我们可以把三极管看做是一个开关，饱和导通时闭合，截止时断开。

方案二：

采用三极管和逻辑门

只用三根线就可以实现正反转、制动、调速的控制，而且从硬件上保证了上下桥臂不能同时导通，不会因操作失误或信号错误而发生短路的情况。

同时逻辑电路把控制器和驱动电路隔离，保护了控制器

要想让电机工作就必须要形成一个通路，从电路上可以看出如果VT1和VT4导通，VT2、VT3截止，就有电流从VCC经VT1→Motor→VT4到GND，电流就从A点到B点流经电机，电机转动。

如果VT2和VT3导通，VT1、VT4截止，电流从VCC经VT3→Motor→VTQ2到GND，从B点到A点流经电机，电机反转。

电机正在转动时如果VT2、VT4导通，VT1、VT3截止，假设电机自转产生的电动势中B点电势高于A点，电流就从电机B端流出经过VT4→VD2回到电机A端形成回路，由于回路中负载较小，因此会产生较大的感应电流形成反向扭矩阻止电机的运转，从而达到制动的目的（VT1、VT3导通，VT2、VT4截止时同理）。

通过以上分析我们可以制作出一份晶体管H桥电路的工作状态表（高电平用1表示，低电平用0表示）

图2.2.三极管和逻辑门驱动电路

2.3测速系统的选择

测速系统主要是通过敏感元件感受被测量的变化，并将测得的结果传给转化元件，转换元件将接收的信号转换成规定要求的使控制器能够识别和处理的信号。

其流程图如下：

图2.7.流程图

方案一：

光电传感器

利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。

光电式传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化，从而实现非电量的测量。

光电式传感器的核心（敏感元件）是光电器件，光电器件的基础是光电效应。

光电式传感器的结构简单，响应速度快，可靠性较高，能实现参数的非接触测量，因此广泛地应用于各种工业自动化仪表中。

光电式传感器可用来测量光学量或测量已先行转换为光学量的其他被测量，然后输出一定形式的电信号。

在测量光学量时，光电器件是作为敏感元件使用；而测量其他物理量时，它是作为转换元件使用。

光电式传感器由光路及电路两大部分组成，光路部分实现被测量信号对光量的控制和调制，电路部分完成从光信号到电信号的转换。

图（a）所示为测量光量时的组成框图，图（b）所示为测量其他物理量时的组成框图。

光电式脉冲编码器可将机械位移、转角或速度变化转换成电脉冲输出，是精密数控采用的检测传感器。

光电编码器的最大特点是非接触式，此外还具有精度高、响应快、可靠性高等特点。

霍尔传感器是基于霍尔效应原理，将电流、磁场、位移、压力、压差转速等被测量转换成电动势输出的一种传感器。

虽然转换率低、温度影响大、要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔传感器具有结构简单、体积小、坚固、频率响应宽（从直流到微波）、动态范围（输出电动势的变化）大、无触点、寿命长、可靠性高，以及易于微型化和集成电路化等优点。

（1）霍尔效应原理

金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。

如图2.6所示，假设薄片为型半导体，磁场方向垂直于薄片，磁感应强度为。

在薄片左右两端通以电流（称为控制电流），那么半导体中的截流子（电子）将沿着与电流的相反方向运动。

由于外磁场的作用，使电子受到磁场力（洛仑兹力）作用而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子有所积累而带负电，前端面则因缺少电子而带正电，在前后两个端面之间形成电场。

（2）霍尔元件的基本结构

霍尔元件的结构很简单，由霍尔片、四根引线和壳体组成。

霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，从中引出四根引线，其中两根引线上施加激励电压或电流，称为激励电极（控制电极），另外两根引线称为霍尔输出引线，又称为霍尔电极。

霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的。

（3）霍尔式转速传感器的结构

下图是三种不同结构的霍尔式转速传感器。

转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。

根据磁性转盘上小磁铁数目多少，就可以确定传感器测量转速的分辨率。

2.4数据采集电路的选择

方案一：

CD4040BC是八位计数器，可最大计数255，性能稳定，接口简单，但价格较高。

其管脚图如右：

经比较试验，选用74LS161A作为计数器，当位数不满足时，扩展使用两片74LS161A计数器。

2.5数据接口的选择

方案一：

RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。

在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。

RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50，75，100，150，300，600，1200，2400，4800，9600，19200波特。

RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制。

例如，采用150pF／m的通信电缆时，最大通信距离为l5m。

传输距离短的另一原因是RS一232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。

方案二：

在线调试

在线调试利用了S08AW60后台调试模式BDM,仅占用MCU的一个引脚就可以对MCU应用程序进行动态调试及擦除和烧写。

BDM的电路和相关资料可以在Freescale公司的网站上下载，一端通过6针插头接AW60核心板，另一端通过USB接到PC机上。

经比较，选用在线调试，其调试程序方便快捷，且满足系统性能要求。

3系统总体设计

3.1系统的工作流程

（1）开启电源，但无信号输入：

电源模块、驱动模块、检测模块、微控制器自检及程序初始化，为电动机起动做准备。

（2）通过滑动变阻器输入一定电压的信号，控制器经过信号采集输出某一占空比的PWM信号

（3）PWM信号传给驱动电路，驱动电机转动。

（4）控制器经过测速模块测得电机转速，并与设定值比较，逐步增大PWM的占空比，直至达到设定的速度。

3.2系统的设计方案方框图

图3.1系统总体构造图

4系统单元电路的设计

对于本系统，硬件系统的设计可分为以下几个部分：

输入模块、电源模块、驱动模块、检测模块、正反转控制模块。

4.1输入模块—滑动变阻器

通过改变滑动变阻器的位置，可输出不同的电压信号，经标量测定，在滑动变阻器不同的位置处标上相应的转速。

若想得到某一转速，滑动变阻器滑块到相应的位置，经过微控制器的处理，即可得到相应的转速。

相应电路如下：

图4.1电压输入原理图

4.2测速模块

74LS161A—1作为计数模块的低四位74LS161A—2作为计数模块的高四位。

其中标有光电脉冲字样的引脚接光电传感器的输出端。

其电路图如下：

图4.2测速原理图

4.3驱动模块

电路中V+=7.2V

IN1、IN2接控微制器I/O口

D1接微控制器F0口（即PWM输出口）

D2接高电平

4.4正反转控制模块

通过检测I/O口电平，可测得是需要正转还是反转，当S1拨向正转时，左侧I/O口为高电压，右侧I/O口为低电平。

当S1拨向反转时，左侧I/O口为低电压，右侧I/O口为高电平

4.5电源模块

主要元器件及参数：

✧电源：

7.2V（SC1*6）2.0Ah.

✧稳压管：

LM2940-5.06.5V

✧二极管：

IN4007VF=0.7V.

整个系统由7.2V电池供电,分为7.2V、5V二部分，分别为微控制器、电机等三个个子模块供电，为了抗干扰，在住电源和5.0V的输出端并接了电容，用于滤波。

如图所示。

图4.5系统图

电路图如下：

图4.6电源电路图

5系统的软件设计

电机控制与调速系统的软件设计包括：

A/D转换模块、电机速度检测模块、定时器PWM信号调制模块。

5.1系统主程序流程图

在本设计中选用的单片机语言是S08AW60,它支持汇编语言和C语言，本设计采用C语言。

使用C语言的特点：

程序书写简单，便于阅读和维护；可实现模块化、结构化编程；语言表达能力强：

可对内存、变量的值进行直接操作，能完成汇编语言对硬件操作的大部分功能；源程序的可移植性好，许多程序段不做或只做少量的修改即可移植到另一个C系统上运行，为调试提供方便。

主程序主要完成可编程芯片的初始化和重量数据采集及按需要调用各模块。

程序流程图如下：

5.2A/D转换子程序

该模块的功能是：

设置数据的采集频率和转换的格式，将采集到的数据转换成单片机能识别的数字信号。

当主程序调用A／D转换程序时，首先须对A／D转换模块的采样频率和采样精度进行设置，再等待传感器检测信号的输入，如有前端数据输入，则对输入数据进行预处理，采集、调整频率和幅值，最后输出数字信号。

AD转换程序主要有三大块组成：

①AD转换器启动程序：

②查询等待转换结束程序；

③读取转换结果程序。

图5.2A/D子程序流程图

总结

先对硬件系统的设计提供理论依据和设计思想，接着详细介绍了电机控制的硬件实现部分，包括信号输入电路、电源转换电路、驱动控制电路、速度检测模块、正反转控制模块。

给出了各个模块的电路图、流程图，各个芯片的管脚图，部分芯片的功能图、逻辑表，以及总的流程图、电路图。

参考文献

1张朝晖.检测技术及应用.北京:

中国计量出版社，2005.10

2王威.嵌入式微控制器S08AW原理与实践.北京:

北京航空航天大学出社，2009.1

3邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法.北京:

清华大学出版社，2004

4章吉良，周勇，戴旭涵等.微传感器原理、技术及应用.上海:

上海交通大学出版社，2005

附录：

系统硬件总原理图