長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 劉 湃 陳永軍 阮 波

基于單片機(jī)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 劉 湃 陳永軍 阮 波

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用H橋方式，該電路用Multisim電路仿真軟件進(jìn)行了理論驗(yàn)證，在實(shí)際測(cè)試中，最大輸出電流可達(dá)到1．3A，該電路還具備電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流可調(diào)節(jié)的功能，方便匹配使用不同的電機(jī)場(chǎng)合；結(jié)合單片機(jī)的運(yùn)算和控制功能，該電路系統(tǒng)不僅能完成手動(dòng)控制電機(jī)左右轉(zhuǎn)動(dòng)或停止，根據(jù)由電機(jī)帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器產(chǎn)生的反饋電壓，該系統(tǒng)還具備電機(jī)位置定位的功能，定位有最快速度定位、勻速定位、最精確位置定位、最平穩(wěn)定位等四種定位方式，最小的定位角度為0．35度；配合單片機(jī)外圍電路，該電路系統(tǒng)加入了液晶顯示、按鍵輸入、蜂鳴器鳴響提示等豐富外設(shè)功能，使得該系統(tǒng)界面友好，操作容易；電路板的設(shè)計(jì)加入了電源防反接、抗電磁串?dāng)_、雙通道采樣電路提高采樣精準(zhǔn)度等的各種優(yōu)化措施，使得該電路板穩(wěn)定可靠，而且美觀大方，提高了該電路系統(tǒng)的實(shí)用性。

H橋；單片機(jī)；電機(jī)定位；定位方式

1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的仿真

在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，電路驅(qū)動(dòng)能力的驗(yàn)證是一個(gè)非常重要的因素，在仿真驗(yàn)證中，采用National Instrument公司設(shè)計(jì)的專用電路仿真軟件對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論驗(yàn)證，從電源端看過去，電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)為一個(gè)負(fù)載，其功效相當(dāng)于一個(gè)等效電阻，故在理論驗(yàn)證中，可用等效電阻替代電機(jī)作為仿真。對(duì)本系統(tǒng)使用的電機(jī)進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，測(cè)得電機(jī)在空載狀態(tài)下，電阻為200歐姆，在臨界過載處的電阻為31.6歐姆。仿真電路圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿真圖

通過對(duì)電機(jī)空載傳動(dòng)，方向選擇，電流調(diào)節(jié)，過載傳動(dòng)的仿真得出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的正確性和合理性。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大體可以分為電路穩(wěn)壓設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、單片機(jī)最小系統(tǒng)及外設(shè)設(shè)計(jì)，A/D采樣設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分與單片機(jī)電路部分相互隔離等五大部分。核心則是電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

2.1 核心電路驅(qū)動(dòng)

本設(shè)計(jì)采用的是博山微電機(jī)廠生產(chǎn)的90ZYT型微直流電機(jī)，它的最大功率是100W，最大輸入電流是0.7A,Mos管H橋電路作為核心電機(jī)驅(qū)動(dòng)，Mos管具有柵源極內(nèi)阻大、源漏極電流可以通過很大的電流等特點(diǎn)，加入PWM控制和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制，如圖2所示。

電路中電流調(diào)節(jié)的原理：在K1、Q7、H橋這個(gè)回路中，H橋中流過的電流Ih約等于三極管Q7端基極Ib的電流的?倍，?為Q7的固有放大倍數(shù)，Ib的值為Q7基極電壓除以滑動(dòng)變阻器R6接入電路的阻值Rv，由于Rv的阻值是可變的，故Ib也是可變的，對(duì)應(yīng)的Ih也是可變的。

電路的工作方式：當(dāng)K1使能時(shí)，若方向選擇端為低電平，則Q1截止，Q1集電極為高電平，促使Q5導(dǎo)通，MOTO_P端電壓接近0V，同時(shí)，Q4端導(dǎo)通，MOTO_N端電壓接近電源電壓，故電流從Q4端流入，經(jīng)過電機(jī)，流入Q5端，再到地端，形成回路，電機(jī)得以向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，當(dāng)方向選擇端為高電平，則Q2，Q6導(dǎo)通，Q4，Q5截止，電流從Q2端流入，經(jīng)過電機(jī)，再通過Q6，最后接地，形成另一條回路，電機(jī)方向跟方向選擇端為低電平時(shí)剛好相反，電機(jī)得以向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過控制電機(jī)方向選擇端的高低電平達(dá)到對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的要求，系統(tǒng)的軟件總體框圖可為如圖3所示。

軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化的方法，遵循高內(nèi)聚、低耦合的程序設(shè)計(jì)原則，先將各個(gè)部分模塊的功能用相應(yīng)的文件編寫好，然后通過最頂層的函數(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)處理，已達(dá)到系統(tǒng)的預(yù)期設(shè)計(jì)功能。軟件設(shè)計(jì)總體包括主函數(shù)模塊、系統(tǒng)初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、軟件延時(shí)模塊、液晶驅(qū)動(dòng)模塊、PWM控制產(chǎn)生模塊、蜂鳴器控制模塊、電機(jī)基準(zhǔn)時(shí)間模塊、電機(jī)工作控制模塊、按鍵模塊、圖形界面處理模塊、波動(dòng)開關(guān)模塊、指示燈模塊、功能模式算法模塊、按鍵解析模塊、圖形界面模塊和頂層綜合處理模塊等17個(gè)部分。

圖2 帶方向和PWM控制的MOS管H橋驅(qū)動(dòng)電路

圖3 軟件的總體框

4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)試

4.1 電機(jī)方向選擇測(cè)試

本系統(tǒng)的測(cè)試使用的是精度為2位半型號(hào)為VICTOR VC9808+的多功能萬用表，測(cè)試如表所示。

表1 電機(jī)方向選擇參數(shù)測(cè)試

表2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流可調(diào)節(jié)參數(shù)測(cè)試

表3 最大驅(qū)動(dòng)電流大于200mA的參數(shù)測(cè)試

4.2 電機(jī)定位的測(cè)試

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有最快速度到達(dá)和最平穩(wěn)到達(dá)兩種定位模式，測(cè)試如表所示。