单片机的无刷直流电机速度伺服系统设计方案.docx

1、单片机的无刷直流电机速度伺服系统设计方案论文名称：基于单片机的直流伺服电机测速系统设计学科专业：申请人：指导老师：摘 要在工程实践中，经常会遇到各种需要测量电机转速的场合，例如在发动机、电动机、机床主轴等旋转设备的实验运转和控制中，常需要分时或连续测量、显示其转速及瞬时速度。当前主要流行的测速方法有霍尔测速、磁电式测速和光电编码测速等，但是霍尔测速不仅价格相对较高，而且信号杂波大，需要额外的滤波电路开销；而磁电式测速容易受外界环境干扰，因此不适合用于强电磁干扰的工业环境，本系统采用光电编码测试进行速度伺服系统设计。为了能精确地测量转速，且保证测量的实时性，本文提出了一种基于单片机的直流伺服电机

2、测速系统设计方案。该系统通过定时器模拟PWM控制电机转速，采用外部中断的边沿触发功能捕获测速脉冲，并以此分析计算出电机转速，然后显示到LED数码管上面；此外，为了达到更精确的电机控制，设计的串行通信方案，通过PC机下传指令改变PWM输出占空比，以此控制电机转速。系统软件在Keil C51集成开发环境中采用C语言编写，并在Proteus软件中搭建电路，仿真验证了方案的可行性。关键词： 测速； 单片机；直流伺服电机； 串行通信ABSTRACT目 录摘 要1ABSTRACT2目 录3第一章绪 论51.1 课题研究意义51.2 国内外发展现状51.3 论文组织6第二章系统方案设计72.1 硬件设计方案

3、72.2 软件设计方案8第三章硬件设计93.1硬件框图设计93.2主控制器模块93.2.1 控制器芯片选型93.2.2 最小系统设计103.3与PC机通信模块113.4电机驱动模块133.4.1 引脚排列133.4.2 L298N电路原理图133.5电机测速模块143.6LED显示模块153.7本章小结16第四章软件设计174.1 软件框架174.2 电机控制184.3 LED显示204.4 RS232串口通信214.5本章小结22第五章系统测试235.1 电机测试235.2 串行通信测试255.3 本章小结28第六章 结 论296.1 已完成工作296.2 后续工作29致 谢31参考文献32

4、附 录33第一章 前 言1.1 课题研究意义电机测速在工程实际应用中必不可少，当前的电机测速主要分为直接法和间接法。直接法即直接观测机械或者电机的机械运动，测量特定时间内机械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速。间接法即由于机械转动导致其他物理量变化，测量这些物理量的变化与转速的关系来得到转速。当然，电机测速方法还可以分为轮轴测速方法和非轮轴测速方法，其中轮轴测速运用发电机和光电变换原理，而非轮轴测速采用多普勒雷达和加速度计。随着微型计算机的广泛应用，单片机技术的日新月异，特别是高性能单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法，使得许多控制功能及算法 可以采用软件技术来完成，使

5、系统能达到更高的性能。在工农业生产和工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的实验、运转和控制中，常需要测量和显示其转速。测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。讫今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关等等。1.2 国内外发展现状目前见到的许多关于直

6、流电机的测速与控制类文献中，以研究无刷直流电机较多，采用电涡流式传感器，磁电式传感器，光电式传感器作为测速电机的重要元件。霍尔传感器的电机测速装置由单片机控制，能够做出使电机加速，减速的动作，还能够精确测速电机的转速，来控制电机的工作情况等多种功能。因此，霍尔传感器的电机测速装置可以看成简单的“计数器”，可广泛的应用于工厂电机的工作监控，汽车行驶速度显示，温室机器人的精密控制等技术领域，也可应用于复杂恶劣的航天航空工作环境，具有良好的民用和军用应用前景，从发展趋势上看，总体的研究方向是提出质量更精确的测速方案，以及在考虑在复杂的环境中工作也能保持性能的稳定性。更加广泛的应用国民的生活生产中去。

7、在研究方法上，有的采用软件仿真，从理论作深入的研究；有的通过实践总结提出一些具有使用价值的实践方法。1.3 论文组织本文提出一种基于单片机的无刷直流电机速度伺服系统设计方案，并在Proteus软件中仿真验证了方案的可行性。针对该方案的具体实施方法，本文完成了以下工作：1）提出了一种无刷直流电机测速方案。即通过增量式光电编码器测量电机转速，并采用单片机的外部中断管脚捕获光电编码器的输出脉冲，通过分析计算单位时间内脉冲个数确定电机转速。2）完成了系统的软硬件设计。硬件设计通过Protues软件搭建电路连接图，软件通过Keil C51集成开发环境编写PWM、串行通信、电机驱动、电机测速及LED显示等

8、各级模块驱动程序。3）仿真验证了方案的可行性。在Protues软件中通过LED数码管显示所测转速与实际转速误差在3%以内；此外，通过VPSD软件虚拟串口对，模拟串行通信实现了PC机对电机转速的控制。论文具体章节安排如下：第一章，介绍了本课题的研究背景、意义及相关国内外发展现状。第二章，分硬件和软件两部分介绍了系统的总体设计方案。第三章，详细叙述了系统硬件设计的原理、方案及方法。第四章，详细叙述了系统软件设计的流程。第五章，在Protues中搭建仿真平台，对系统方案进行了测试和分析。第六章，总结课题的研究工作，并指出了存在的问题和进一步的研究方向。第二章 系统方案设计2.1硬件设计方案本系统设计

9、的是一个无刷直流电机测速装置，该系统由主控模块MCU）、电机驱动模块、电机测速模块、LED显示模块和PC机控制模块组成。通过微控制器产生PWM及电机驱动模块控制电机转动，然后通过电机测速模块测得当前电机转速，并显示到LED显示器上。PC机控制模块可以用于调节电机转速。系统方案设计框图如图2-1所示。图2- 1 系统方案设计框图1）系统控制模块的核心部件采用AT89C51单片机，用于控制电机的顺时针、逆时针转动，同时通过测速模块采集电机转速等信息并显示到LED数码管上。此外，还可通过串行口接收PC机下传的指令，改变电机转速。2）LED显示模块用于显示当前电机的转速信息，考虑到所使用电机转速不大，

10、每分钟转动圈速在1000以内，因此通过4位7段LED数码管进行显示。3）电机驱动模块可采用专用直流电机驱动芯片，通过单片机的I/O口来控制电机驱动芯片的控制信号，从而达到控制直流电机的目的。也可采用H型桥式驱动电路，这种驱动电路可以很方便地实现直流电机的四象限运动，分别对应正转、正转和制动、反转、反转和制动。经分析，专用直流电机驱动芯片电路规模较小，且容易使用单片机来控制，完全可以实现预期的功能，成本相对较低。因此采用L298N来控制小车的运行。2.2软件设计方案软件设计非常重要，它是系统的中枢，影响着整个系统性能的优劣。本系统软件设计方案是以上述硬件电路为基础的，包括电机控制模块、电机测速模

11、块、串口通信模块及LED显示模块的程序设计与实现。程序设计采用C语言编写，编程环境是集成Keil C51编译器的集成编译环境。语音导航小车设计的软件设计结构框图如图2-2所示。图2- 2 系统软件设计框图电机驱动模块程序的设计实现了对电机转动方式和转动速度的控制；电机测速子程序的设计实现了对电机实际转速的采集，并通过液晶显示子程序将采集后分析计算的实际转速显示出来；串行口通信程序通过与PC机接入，实现对电机转速的上行控制。软件的设计应尽量采用函数化、模块化，便于主函数的调用，便于系统调试。具体设计过程及详细内容见第四章。第三章 硬件设计3.1 硬件框图设计本文选用AT89C51单片机作为系统的

12、主控制器，用L298N电机驱动芯片驱动直流电机转动，用外部中断1捕获电机转动圈速的脉冲，然后交给主控制器分析计算得到当前电机转速，并通过4位7段数码管显示出当前转速。此外，一个按键通过外部中断0控制电机转动方向，且PC机通过串行通信控制电机转动速度。系统硬件框图如图3-1所示。图3- 1 硬件设计框图3.2 主控制器模块主控制器模块是系统硬件设计的核心，本节通过控制芯片选型和搭建最小系统两部分阐述。3.2.1 控制器芯片选型3.2.2 最小系统设计3.3 与PC机通信模块RS-232是美国电子工业协会EIAElectronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标

13、准。RS-232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15m；若每M电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-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2

14、0m以内的通信。3.4 电机驱动模块电机的驱动采用双向PWM脉宽调制方式控制。采用这种控制方式可以方便地实现电机的正反转和转速变化。驱动芯片采用 L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，在646V的电压下，可以提供2A的额定电流。L298N还有过热自动关断功能，并有反馈电流检测功能。3.4.1引脚排列引脚排列如图3-4所示，1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。L298可驱动2个电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电机。5、7、10、12脚接输入

15、控制电平，控制电机的正反转，利用单片机产生PWM信号接到ENA、ENB控制使能端，控制电机的转速和停转。图3- 4 L298N实物图3.4.2L298N电路原理图由于小车电机为7.2V，故L298N的VSS接7.2V电源。由单片机直接输出两路PWM驱动L298N，改变PWM调制脉冲占空比，可以实现精确调速。脉冲频率对电机转速有影响，脉冲频率高、连续性好，但带负载能力差；脉冲频率低则反之。为了保证L298N的正常工作，加装了片外续流二极管。图3-5所示为电机驱动L298N电路原理图。图3- 5 电机驱动L298N原理图3.5 电机测速模块一般情况下电机均采用光电编码器测速。光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是目前应用最多的传感器。一般的光电编码器主要由光栅盘和光电探测装置组成。在伺服系统中，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90的2个通道的光码输出，根据双通道光码的状态变化确定电机的转向。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混