直流电机驱动与控制系统设计

直流电机驱动与控制系统设计【摘要】介绍了基于AT89C52单片机，利用光电传感器检测直流电机的转速，采用PWM调速方式，通过AT89C52单片机产生控制信号直接控制驱动芯片LMD18200，从而间接控制直流电机的速度、正反转，以及停止，并可以调节速度至预先设定的速度。【关键词】直流电机；单片机；lmd18200；PWM调速直流电机在机器人和各种自动化控制领域发挥着重要的作用，而对电机速度的控制尤其重要，传统的控制系统通常采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽在一定程度上满足了生产要求，但线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而使系统的运行特性也随之变化，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故[1]。直流电机的数字控制已经成为了电动机控制的发展趋势，用单片机对电动机进行控制是实现电机数字控制的最常用手段，但是仅仅使用单片机进行控制会使运行程序复杂。为了减小单片机的负担，本文使用专门的直流电机控制芯片LMD18200，设计了一种基于单片机的直流电机驱动控制系统。1.硬件电路的组成系统硬件电路结构框图如图1所示，主要包括单片机电路、稳压电路、转速检测电路、转数显示电路、隔离电路、LMD18200驱动电路等。1.1稳压电路硬件系统需要两个不同大小的电压供电。一个电压是所用驱动芯LMD18200电源端口的电压，该电压最大可以使用55V，在该硬件电路中使用的是24V；另一个电压大小为5V，该电压提供给单片机、转数测量电路中的LM393芯片以及隔离电路中的光电耦合芯片6N137。为了减少成本，硬件调试方便及满足设计的合理性，本设计中使用了稳压芯片LM7805，从而实现一个24V电源对整个硬件电路供电。具体电路如图2所示。电路左边接入24V的电经过稳压芯片LM7805将右边输出电压稳定到5V。1.2隔离电路单片机输出的控制信号包括PWM控制信号和转向信号。由于驱动芯片LDM18200的控制信号是由单片机产生的，而驱动芯片输入电压较大，如果电路发生问题，电流就直接流入单片机，这样会对单片机造成损害，为了解决这个问题，在单片机和驱动芯片之间接入隔离电路，从而使单片机和驱动芯片进行隔离。同时考虑到PWM信号频率高[2]，高达16.5khz，普通的光电隔离器件不能应用，故选用了高速光电耦合器芯片6N137。以PWM信号为例，转向信号类似，具体电路如图3所示，该种连接方法在传输过程中逻辑状态不变，单片机产生的PWM信号从芯片6N137的3号引脚输入，从网络标号PWM端输出。1.3转速检测电路采用光电传感器测量直流电机的转速。在直流电机转轴的末端贴上一个黑白交替的塑料卡片，该塑料卡片由三层组成，上下两层由透明塑料组成，中间夹着十张均匀分布的小黑纸。根据光电传感器的工作原理，直流电机转动一周，光电传感器输出引脚输出十个脉冲信号。同时考虑到光电传感器输出的脉冲信号不规则，将其输入到单片机后，不宜于单片机对其识别，因此在光电传感器的输出引脚连接一个由运放芯片LM393组成的脉冲整形电路[3]。具体电路如图4所示，最终获得的脉冲信号由LM393芯片的2号引脚输入到单片机的T0引脚。这种测速方法，不但成本低，安装方便，不受外界磁场的干扰，而且测量精度也极大提高。1.4LMD18200驱动电路LMD18200是美国国家半导体公司（NS）推出的专用于直流电动机驱动的驱动芯片，该芯片峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A，工作电压高达55V，而其具有温度报警、过热与短路保护功能及良好的抗干扰性，故本设计采用了该芯片，具体驱动电路如图5所示。通过控制3号引脚控制直流电机转动的方向，调节5号引脚PWM信号的占空比调节直流电机转速的大小，5号引脚控制直流电机的启动和停止，具体来说当为低电平，直流电机转动停止，9号引脚是温度报警输出信号，当芯片结温度高于145度时，LED灯自动点亮。这种驱动电路不仅硬件电路结构简单，而且只需要两个控制信号，这样大大减小了软件部分的工作，使整个系统结构得到优化。1.5单片机电路及速度显示电路单片机是整个系统的核心，这整个系统起到举足轻重的作用。考虑到软件部分的程序简单，结合成本考虑，本设计中选用了AT89C52单片机，单片机电路包括单片机、单片机的复位电路及单片机的晶振电路。速度显示电路采用四个数码管显示，连接在单片机的P0口和P2口的四个引脚。1.6按键和键盘在本设计中，按键和键盘都是直接输入单片机的，其中按键有两个，一个是输入直流电机的启动请求信号，令一个是输入直流电机停止请求信号。这两个按键可以连接在单片机P2口中任意闲置的引脚。键盘由单片机P1口连接，功能是给定直流电机需要的速度和输入直流电机正反转的请求信号。2.系统软件设计本系统的程序采用c语言编写，整个程序包括主程序，键盘和按键扫描子程序、数码管显示子程序及速度检测中断子程序。其主程序设计流程图如图6所示。3.结束语直流电机的数字控制已经逐步替代由模拟元件组成的传统控制，但是数字控制的复杂程度也是一个不容忽视的问题。基于单片机的直流电机驱动与控制系统中不仅实现了对直流电机的方向及速度控制，而且设计中大量集成芯片的使用，简化了整个系统的结构，使得硬件调试方便，工作可靠性高，更为重要的是减少了数字控制的工作量，从而减少成本。参考文献[1]刘晓欧，尹韵平，严光洪.基于MSCNastran的水下环肋圆柱壳体振动模态计算方法[J].计算机辅助工程，2006（S1）：124-127.[2]王磊，艾晓庸，朱齐丹.基于LMD18200组件的直流电机驱动器的设计[J].仪器仪表装置，2004，25（1）.[3]茹占军，谢家兴.基于AT89S52单片机直流电机调速系统设计[J].软件导刊，2010，9（8）.华秀洁（1989—），女，江苏海安人，硕士研究生，现就读于西南交通大学。