縱榜峰，曹吉花

(宿州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽宿州234000)

基于單片機(jī)的多軸直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

縱榜峰，曹吉花

(宿州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽宿州234000)

本設(shè)計(jì)是一種基于單片機(jī)的多軸直流電機(jī)控制系統(tǒng).該系統(tǒng)以AT89C52RC單片機(jī)作為核心控制器，通過三個(gè)按鍵把所選電機(jī)的編號(hào)和控制要求發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過處理后把相應(yīng)的控制指令發(fā)送給所選電機(jī)的調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路，通過PCF8591進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后再通過LM324組成的調(diào)速電路產(chǎn)生穩(wěn)定的不同占空比的脈沖電壓(PWM)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的加速、減速和其它控制要求.同時(shí)，所有操作信息和電機(jī)轉(zhuǎn)速都在顯示模塊中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，滿足了對(duì)多軸直流電機(jī)的各種控制要求.

單片機(jī);多軸電機(jī)控制;調(diào)速驅(qū)動(dòng)

電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中的重要?jiǎng)恿碓?，隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提高，多軸電機(jī)在自動(dòng)化的生產(chǎn)線和大型自動(dòng)車床中被廣泛應(yīng)用.本系統(tǒng)以5個(gè)24V 30W的直流電機(jī)作為控制對(duì)象，以主控模塊上的三個(gè)功能按鍵(key mode、key up和key down)作為控制操作端口，根據(jù)顯示模塊所顯示的操作信息和電機(jī)的轉(zhuǎn)速情況進(jìn)行操作按鍵來控制電機(jī)的編號(hào)選擇和轉(zhuǎn)速增減的調(diào)節(jié)，key mode控制電機(jī)的編號(hào)，每按一下，電機(jī)的編號(hào)增加1;key up和key down控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，每按一下key up電機(jī)轉(zhuǎn)速增加X rad/s，每當(dāng)按下key down電機(jī)轉(zhuǎn)速減少X rad/s，X的值可根據(jù)控制要求在程序中進(jìn)行設(shè)置.最終實(shí)現(xiàn)五個(gè)電機(jī)相互獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，互不干擾，又可同時(shí)對(duì)它們的啟停和加減速進(jìn)行自由控制.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)主要由主控模塊、顯示模塊、電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)模塊和功能按鍵模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.操控者根據(jù)顯示模塊上所顯示的每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況通過功能按鍵和顯示模塊的操作提示對(duì)單片機(jī)發(fā)出操控指令，經(jīng)單片機(jī)處理后通過驅(qū)動(dòng)接口向調(diào)速驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送指令，該指令首先通過PCF8591實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)與模擬信號(hào)地轉(zhuǎn)換，再通過LM324產(chǎn)生穩(wěn)定的三角波電壓與可控制電壓的占空比(PWM)來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的加速減速和選擇的其它控制要求［1］.同時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)實(shí)時(shí)反饋到控制模塊，再由控制模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示模塊進(jìn)行顯示.

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)硬件主要包括四部分:主控系統(tǒng)電路、顯示電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和調(diào)速電路.主控電路以單片機(jī)為控制核心，外加一個(gè)串行通信電路及電源電路組成.顯示電路采用顯示模塊采用NOKIA5110 LCD顯示模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路主要把單片機(jī)的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)為下一步的調(diào)速脈沖信號(hào)提供信號(hào)源.調(diào)速電路主要把數(shù)模轉(zhuǎn)換后的控制信號(hào)進(jìn)行處理變成不同占空比的脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制.

2.1 主控系統(tǒng)電路

主控系統(tǒng)電路如圖2所示，主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、串口通信電路、功能按鍵及電源電路組成.采用AT89C52RC單片機(jī)作為控制器，擁有8051內(nèi)核的STC89C52RC單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，片內(nèi)含8K bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，這些特點(diǎn)使得STC89C52能為控制系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案［2］.單片機(jī)和計(jì)算機(jī)的通信方式采用的是串口通信，利用MAX232實(shí)現(xiàn)RS232與TTL之間的電平轉(zhuǎn)換，使得單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間能夠進(jìn)行串行通信.功能按鍵主要由三個(gè)按鍵組成，分別控制電機(jī)的選擇、減速和加速.連續(xù)按下點(diǎn)擊選擇按鍵，顯示器上就會(huì)出現(xiàn)不同的電機(jī)編號(hào)，操作者可從中選擇需要控制的電機(jī)，然后再通過按加速和減速按鍵對(duì)所選擇的電機(jī)進(jìn)行控制操作.整個(gè)控制系統(tǒng)電源采用穩(wěn)定的直流5V電源供電.同時(shí)，主控模塊還設(shè)有液晶顯示接口，并把單片機(jī)的P20和P21口作為連接PCF8591芯片的SDA和SCL接口，這些接口實(shí)現(xiàn)了和其他模塊電路的有效連接.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 主控系統(tǒng)電路圖

2.2 液晶顯示電路

顯示模塊采用NOKIA5110 LCD顯示模塊，該模塊為84*48的點(diǎn)陣LCD，采用串行通信，接口信號(hào)線少，低電壓供電，且具有掉電模式.真?zhèn)€模塊體積小，可顯示三行漢字，通過接受主控系統(tǒng)發(fā)出的程序命令顯示相應(yīng)電機(jī)的編號(hào)轉(zhuǎn)速等信息.模塊直接和控制模塊的液晶接口連接即可.

2.3 調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路

根據(jù)直流電機(jī)的原理，其轉(zhuǎn)速計(jì)算公式可表示為:n=(U－IR)/Kφ，其中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，φ為每極磁通量，K為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù).通過公式可看出，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速和U、I有關(guān)，并且可控量只有這兩個(gè)，因此要對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行速度控制可通過調(diào)節(jié)這兩個(gè)量來實(shí)現(xiàn)，而I可以通過改變電壓進(jìn)行改變，因此本設(shè)計(jì)采用PWM控制也就是用來調(diào)節(jié)電壓波形的方法來進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)［3］.

圖3 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

單片機(jī)輸出的控制信號(hào)首先經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，核心器件是PCF8591，PCF8591是一種單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、8－bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件，具有4個(gè)模擬輸入、1個(gè)模擬輸出和1個(gè)串行I2C總線接口.在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進(jìn)行傳輸.經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后的信號(hào)接入由LM324組成的PWM脈沖生成模塊，利用LM324芯片產(chǎn)生PWM脈沖，通過改變占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速［4］.驅(qū)動(dòng)調(diào)速電路如圖4所示.

圖4 調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件的開發(fā)采用常用的開發(fā)工具Keil，利用C語言進(jìn)行編程.主程序流程圖如圖5所示.系統(tǒng)初始化后對(duì)三個(gè)操作按鍵的動(dòng)作進(jìn)行掃描，判斷按鍵是否按下，當(dāng)加速或減速按鍵被按下，則調(diào)用加速和減速子程序，若按鍵沒有動(dòng)作則忽略子程序進(jìn)行轉(zhuǎn)速正常顯示.

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

圖6 加速子程序流程圖

加速子程序流程圖如圖6所示.當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，按下加速鍵，出于對(duì)電機(jī)和傳動(dòng)裝置的保護(hù)，程序首先判斷電機(jī)轉(zhuǎn)速是否達(dá)到設(shè)定的上限，然后再調(diào)用加速子程序，使電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步的延時(shí)時(shí)間變短，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速.

減速子程序流程圖如圖7所示，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，按下減速鍵，程序首先判斷電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)，以此為依據(jù)來判斷電機(jī)是否繼續(xù)減速.然后再調(diào)用減速子程序，通過改變電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步的延時(shí)時(shí)間，使時(shí)間變長，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)減速.

圖7 減速子程序流程圖

4 結(jié)束語

該控制系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)論證和實(shí)驗(yàn)調(diào)試，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期要求，所以文中所介紹控制系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)正確可行，且該方法成本較低、易于實(shí)現(xiàn)、性能穩(wěn)定、效率較高，具有一定的實(shí)用價(jià)值，也為單片機(jī)應(yīng)用的類似設(shè)計(jì)提供了參考經(jīng)驗(yàn).

［1］柳亞，陽泳，胡湘娟.基于STC89C52單片機(jī)的直流電機(jī)控制設(shè)計(jì)［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2015(6):21.

［2］朱睿，郭盛杰.基于單片STC12C52系列直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)［J］.山西電子技術(shù)，2015(5):3－4.

［3］庹朝永.基于單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.煤炭技術(shù)，2011(6):62－63.

［4］李美菊.基于單片機(jī)的直流電機(jī)變速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2015(12):260－263.

Microcontroller－based Multi－axis Motor Control System

ZONG Bang－feng，CAO Ji－h(huán)ua
(School of Mechanical and Electronic Engineering，Suzhou University，Suzhou，234000，China)

This design is a multi－axis motor control system based on SCM.The system AT89C52RC microcontroller as the core controller，through three key number of the selected motor and control required to send to the microcontroller，the microcontroller after treatment of the corresponding control commands sent to the selected speed motor drive circuit，performed by PCF8591 speed digital to analog conversion circuit composed again by LM324 voltage generating stable pulse different duty cycles(PWM)to achieve the acceleration of the motor，gear and other control requirements.At the same time，the use of liquid crystal display all the operational information and motor speed information displayed in real time to meet a variety of multi－axis motor control requirements.

single chip microcomputer;multi－axis motor control;speed drive

TM33;TP368.12

A

1672－2590(2016)03－0086－05

2016－03－21

宿州學(xué)院產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(2014cxy03);安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2015A200)

縱榜峰(1981－)，男，安徽宿州人，宿州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院講師.