林家泉,穆 欣,周賢民,周峻名

（中國民航大學(xué),天津 300300）

1 引言

小型直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種控制場合，作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置，直流電機(jī)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，拖動(dòng)設(shè)備旋轉(zhuǎn)或是通過機(jī)構(gòu)變換實(shí)現(xiàn)設(shè)備的直線運(yùn)動(dòng)[1]，其應(yīng)用非常廣泛，比如電動(dòng)車、磁盤驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī)等設(shè)備中都有直流電機(jī)的應(yīng)用，對直流電機(jī)進(jìn)行控制需要對轉(zhuǎn)速、電流信息進(jìn)行檢測，本文給出了所設(shè)計(jì)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流檢測顯示系統(tǒng)，為直流電機(jī)控制硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)提供參考。

2 硬件方案

總體方案包括：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、速度檢測、電流檢測、參數(shù)顯示、單片機(jī)控制。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

2.1 系統(tǒng)控制器CPU

對于系統(tǒng)的CPU處理器，采用51系列的STC89C52單片機(jī)，該款單片機(jī)有如下特性： 增強(qiáng)8051型，工作頻率范圍：0～40MHz，片上有8K的程序存儲(chǔ)空間和512字節(jié)的運(yùn)行RAM。可ISP編程，通過串口直接下載用戶程序，共3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，其中定時(shí)器0可以當(dāng)成2個(gè)8位的定時(shí)器用，四路外部中斷，Pow er Dow n模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷喚醒，通用異步串行口(UART)可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

用L298N直流電機(jī)雙全橋控制芯片作為直流電機(jī)的主控驅(qū)動(dòng)芯片[2-3]，該芯片輸出電流可達(dá)4A，最高驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)46V?？赏瑫r(shí)控制兩個(gè)直流電機(jī)或者一個(gè)步進(jìn)電機(jī)， L298N的輸入端中， IN0、IN1和IN2、IN3分別控制一號(hào)和二號(hào)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)制動(dòng)，ENA、ENB分別為兩個(gè)電機(jī)的使能端，可以接單片機(jī)送來的PWM信號(hào)從而可以改變電樞電壓有效值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速改變，方便單片機(jī)控制。

2.3 速度檢測

速度檢測，有多種方法可以實(shí)現(xiàn)，比如測速發(fā)電機(jī)，光電編碼器，光電對管[4]，使用光電對管來獲取轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，這種方法實(shí)現(xiàn)起來簡單，成本也低，測速也比較準(zhǔn)確。其原理是：通過在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)質(zhì)輕的鋼圓盤，圓盤的徑向上等間距開有柵縫，圓盤放在光電對管槽的中央，當(dāng)光電對管一端的紅外信號(hào)通過光柵透過到達(dá)對面的檢測區(qū)時(shí)，對面檢測到了有信號(hào)過來，就會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。單片機(jī)通過測量這個(gè)脈沖信號(hào)的頻率就可以近似算出轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。

2.4 電流檢測

電流檢測選擇ACS712ELCTR-05B-T霍爾電流傳感器，這種電流傳感器具有體積小、能將被測電流完全隔離開等優(yōu)點(diǎn)。這是一款量程為-5A～+5A的線性霍爾電流傳感器，具有185m v/A的輸出靈敏度，80KHz帶寬。

2.5 參數(shù)顯示

顯示模塊選用的是LCD1602,共兩行每行可顯示16個(gè)ASCII字符，單片機(jī)只需向其顯示寄存器發(fā)送預(yù)顯示字符的ASCII碼，就會(huì)在顯示屏上輸出對應(yīng)的字符。 本文所設(shè)計(jì)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流檢測及顯示系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流檢測及顯示系統(tǒng)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在所設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)上，對一個(gè)6V永磁直流電機(jī)進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，直流電機(jī)的控制采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制，將速度給定與速度反饋進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)速偏差送入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行比例積分運(yùn)算，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出控制L298N芯片，調(diào)節(jié)直流電機(jī)的電壓，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是有效的。

表1

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)直流電機(jī)速度電流采樣顯示系統(tǒng)， CPU處理器采用STC89C52單片機(jī)，用L298N直流電機(jī)雙全橋控制芯片作為直流電機(jī)的主控驅(qū)動(dòng)芯片，使用光電對管來獲取轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，電流檢測選擇基于霍爾效應(yīng)的ACS712ELCTR-05B-T霍爾電流傳感器，顯示模塊選用的是LCD1602，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。

[1] 廖曉鐘,劉向東.控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M] .北京:清華大學(xué)出版社,2010:34-35．

[2] 李昂,易璋,張全紅.永磁直線無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)[J] .微特電機(jī),2006(09):22-24．

[3] 石山,劉志東,崔曉锃.基于PWM 控制的無刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)分析[J] .微特電機(jī),2012(07):12-14.

[4] 范磊磊,等.L297+L298芯片在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用[J] .微特電機(jī),2012(10):58-61.