單片機控制直流電機方案介紹

本設計以AT89C51單片機為核心，以4*4矩陣鍵盤(pán)做為輸入達到控制直流電機的啟停、速度和方向，完成了基本要求和發(fā)揮部分的要求。在設計中，采用了PWM技術(shù)對電機進(jìn)行控制，通過(guò)對占空比的計算達到精確調速的目的。
一、 設計方案比較與分析：

1、電機調速控制模塊：
方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò )或數字電位器調整電動(dòng)機的分壓，從而達到調速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò )只能實(shí)現有級調速，而數字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會(huì )降低效率，而且實(shí)現很困難。
方案二：采用繼電器對電動(dòng)機的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對小車(chē)的速度進(jìn)行調整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應時(shí)間慢、機械結構易損壞、壽命較短、可靠性不高。
方案三：采用由達林頓管組成的H型PWM電路。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調整電動(dòng)機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現轉速和方向的控制；電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調速技術(shù)。
兼于方案三調速特性?xún)?yōu)良、調整平滑、調速范圍廣、過(guò)載能力大，因此本設計采用方案三。
2、PWM調速工作方式：
方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個(gè)脈沖周期內，單片機兩控制口各輸出一個(gè)控制信號，兩信號高低電平相反，兩信號的高電平時(shí)差決定電動(dòng)機的轉向和轉速。
方案二：?jiǎn)螛O性工作制。單極性工作制是單片機控制口一端置低電平，另一端輸出PWM信號，兩口的輸出切換和對PWM的占空比調節決定電動(dòng)機的轉向和轉速。
由于單極性工作制電壓波開(kāi)中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動(dòng)也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。
3、PWM調脈寬方式：
調脈寬的方式有三種：定頻調寬、定寬調頻和調寬調頻。我們采用了定頻調寬方式，因為采用這種方式，電動(dòng)機在運轉時(shí)比較穩定；并且在采用單片機產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實(shí)現上比較方便。
4、PWM軟件實(shí)現方式：
方案一：采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個(gè)us。
方案二：采用軟件延時(shí)方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。但是基于不占用定時(shí)器資源，且對于直流電機，采用軟件延時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許范圍，故采用方案二。

二、系統分析與設計：
總體設計方案的硬件部分詳細框圖如圖一所示。
鍵盤(pán)向單片機輸入相應控制指令，由單片機通過(guò)P2.0與P2.1其中一口輸出與轉速相應的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過(guò)信號放大、光耦傳遞，驅動(dòng)H型橋式電動(dòng)機控制電路，實(shí)現電動(dòng)機轉向與轉速的控制。電動(dòng)機的運轉狀態(tài)通過(guò)LED顯示出來(lái)。電動(dòng)機所處速度級以速度檔級數顯示。正轉時(shí)數字向右移動(dòng)，反轉時(shí)數字向左移動(dòng)。移動(dòng)速度分7檔，快慢與電動(dòng)機所處速度級快慢一一對應。每次電動(dòng)機啟動(dòng)后開(kāi)始計時(shí)，停止時(shí)LED顯示出本次運轉所用時(shí)間，時(shí)間精確到0.1s。

1、系統的硬件電路設計與分析
電動(dòng)機PWM驅動(dòng)模塊的電路設計與實(shí)現具體電路見(jiàn)下圖二。本電路采用的是基于PWM原理的H型橋式驅動(dòng)電路。

PWM電路由四個(gè)大功率晶體管組成H型橋式電路構成，四部分晶體管以對角組合分為兩組：根據兩個(gè)輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導通和截止。4個(gè)二極管在電路中起防止晶體管產(chǎn)生反向電壓的保護作用。4個(gè)電感在電路中是起防止電動(dòng)機兩端的電流和晶體管上的電流過(guò)大的保護作用。

在實(shí)驗中的控制系統電壓統一為5v電源，因此若達林頓管基極由控制系統直接控制，則控制電壓最高為5V，再加上三極管本身壓降，加到電動(dòng)機兩端的電壓就只有4V左右，嚴重減弱了電動(dòng)機的驅動(dòng)力?；谏鲜隹紤]，我們運用了4N25光耦集成塊，將控制部分與電動(dòng)機的驅動(dòng)部分隔離開(kāi)來(lái)。輸入端各通過(guò)一個(gè)三極管增大光耦的驅動(dòng)電流；電動(dòng)機驅動(dòng)部分通過(guò)外接12V電源驅動(dòng)。這樣不僅增加了各系統模塊之間的隔離度，也使驅動(dòng)電流得到了大大的增強。
在電動(dòng)機驅動(dòng)信號方面，我們采用了占空比可調的周期矩形信號控制。脈沖頻率對電動(dòng)機轉速有影響，脈沖頻率高連續性好，但帶帶負載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實(shí)驗發(fā)現，脈沖頻率在40Hz以上，電動(dòng)機轉動(dòng)平穩，但加負載后，速度下降明顯，低速時(shí)甚至會(huì )停轉；脈沖頻率在10Hz以下，電動(dòng)機轉動(dòng)有明顯跳動(dòng)現象。實(shí)驗證明，脈沖頻率在15Hz-30Hz時(shí)效果最佳。而具體采用的頻率可根據個(gè)別電動(dòng)機性能在此范圍內調節。通過(guò)N1輸入信號，N2輸入低電平與N1輸入低電平，N2輸入信號分別實(shí)現電動(dòng)機的正轉與反轉功能。通過(guò)對信號占空比的調整來(lái)對車(chē)速進(jìn)行調節。速度分7檔控制，從高電平（第6檔）到低電平（第0檔）中間占空比以20%逐極遞減。速度微調方面，可以通過(guò)對占空比以1%的跨度逐增或逐減分別實(shí)現對速度的逐加或逐減。
2、系統的軟件設計
本系統編程部分工作采用KELI-C51語(yǔ)言完成，采用模塊化的設計方法，與各子程序做為實(shí)現各部分功能和過(guò)程的入口，完成鍵盤(pán)輸入、按鍵識別和功能、PWM脈寬控制和LED顯示等部分的設計。
單片機資源分配如下表：