基于單片機STC12C52系列直流電機調速系統

摘要：介紹了基于單片機的直流電機的調速控制系統。該系統選用宏晶科技公司的高速/低功耗/超強抗干擾的新一代單片機STC12C5206AD芯片作為主要部分，輔以上位機、電機驅動(dòng)系統等設備對直流電動(dòng)機進(jìn)行不同速度的控制。

在現代工業(yè)中，電機調速系統被廣泛應用于機械、冶金、石油化學(xué)、國防工業(yè)等工業(yè)部門(mén)中。隨著(zhù)計算機進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現，使用脈寬調制(pulse width modulation，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM)控制方式已成為絕對主流。脈寬調制是一種使用程序來(lái)控制波形占空比、周期、相位波形的技術(shù)，在電機驅動(dòng)、D/A轉換等場(chǎng)合有廣泛的應用。這種控制方式已作為直流電動(dòng)機數字控制的基礎。在直流調速控制中，可以采用各種控制器，單片機是其中一種選擇。

1 功能描述

電機調速系統采用微處理器作為控制核心，以控制板卡、電機驅動(dòng)芯片及外圍電路、電機等構成整個(gè)電機調速系統。由微處理器產(chǎn)生1對(共2路)PWM信號，該PWM信號經(jīng)電機驅動(dòng)芯片控制執行電機，實(shí)現電機在不同運行狀態(tài)下的調速要求。

2 電機調速系統的組成

電機調速系統的組成見(jiàn)表1。

3 技術(shù)指標

技術(shù)指標如下：

1)工作溫度：-40℃～+60℃;

2)供電電壓：DC 27 V;

3)輸出扭矩：1.2 N·M;

4)最大空載轉速：1 050 rpm;

5)額定電流：2.3 A。

4 設計原理

4.1 原理框圖

原理框圖見(jiàn)圖1。

4.2 原理介紹

如圖1所示，通過(guò)對計算機屏幕顯示界面的操作，選取電機不同的運轉狀態(tài)，由計算機控制板卡采集相應的狀態(tài)信息，輸出相應的狀態(tài)量代碼(狀態(tài)量指示見(jiàn)真值表 2)并送入到單片機，單片機根據接收的代碼信息，產(chǎn)生相應占空比的PWM脈寬信號，該脈寬信號經(jīng)功率放大電路放大后驅動(dòng)執行電機，從而實(shí)現對電機的調速控制。

其中高位D2表示方向性，0為正方向，1為反方向;D1，D0表示速度大小。

5 設計分析

5.1 控制/驅動(dòng)電路設計

控制/驅動(dòng)電路主要由單片機STC12C5206AD、電機驅動(dòng)芯片DRV8842等組成?？刂?驅動(dòng)電路設計原理見(jiàn)圖2。

5.2 電源電路

本調速系統工作電源為直流+24 V、直流+5 V。其中+5 V由直流+24 V轉換輸出，供單片機STC12C5202AD使用。+5 V轉換電路主要由穩壓器LD1086、電容器等組成，詳見(jiàn)圖3。在設計電路板時(shí)，要盡量加寬電源線(xiàn)，同時(shí)將電源線(xiàn)和信號線(xiàn)分離，以免產(chǎn)生干擾信號。

5.3 電機驅動(dòng)電路

電機驅動(dòng)電路主要由驅動(dòng)芯片DRV8842及其外圍電路組成。

驅動(dòng)芯片DRV8842是專(zhuān)用于電機的集成電路，內部包含一個(gè)PWM電流控制的H橋控制電路，電路見(jiàn)圖4。工作電壓為8.2 V～45 V，工作電流為5 A，工作溫度為-40℃～85℃。

如圖4，通過(guò)控制DRV8842的IN1和IN2引腳輸入狀態(tài)，能直接控制OUT1和OUT2的輸出狀態(tài)，邏輯控制見(jiàn)表3。

采用PWM脈寬調制控制電機速度，其控制邏輯如下：當IN1輸入PWM信號，IN2輸入低電平時(shí)，電機正轉;當IN1輸入低電平，IN2輸入PWM信號時(shí)，電機反轉;PWM信號的占空比決定電機的轉速。

5.4 微處理器

微處理器采用深圳宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5206AD。STC12C5206AD是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代單片機，指令代碼兼容傳統8051，但速度快8倍～12倍。內部集成MAX810專(zhuān)用復位電路，2路PWM，8路高速8位A/D轉換 (300 k/s即30萬(wàn)次/秒)，針對電機控制，強干擾場(chǎng)合。

主要性能如下：

1)工作電壓：5.5 V～3.3 V;

2)工作頻率：0～35 MHz，相當于普通8051的0～420 MHz;

3)用戶(hù)應用程序空間：6 k字節;

4)片上集成RAM：256字節;

5)通用I/O口：13個(gè);

6)有EEPROM功能;

7)看門(mén)狗;

8)內部集成MAX810專(zhuān)用復位電路(外部晶體20 M以下時(shí)，復位腳直接1 k電阻到地);

9)PWM：2路;

10)A/D轉換：8位精度ADC，共8路，轉換速度可達300 k/s(每秒鐘30萬(wàn)次);

11)工作溫度：-40℃～85℃。

5.5 軟件分析

軟件主要由上位機控制程序和下位機控制程序兩部分組成。軟件流程圖見(jiàn)圖5、圖6。

6 結束語(yǔ)

設計結果滿(mǎn)足要求，運行狀態(tài)良好，達到預期目的。