基于單片機的直流電機驅動系統(tǒng)的設計

長江大學電子信息學院 劉 湃 陳永軍 阮 波

基于單片機的直流電機驅動系統(tǒng)的設計

長江大學電子信息學院 劉 湃 陳永軍 阮 波

本文設計了一個基于單片機的直流電機驅動電路系統(tǒng)，電機驅動部分采用H橋方式，該電路用Multisim電路仿真軟件進行了理論驗證，在實際測試中，最大輸出電流可達到1．3A，該電路還具備電機驅動電流可調節(jié)的功能，方便匹配使用不同的電機場合；結合單片機的運算和控制功能，該電路系統(tǒng)不僅能完成手動控制電機左右轉動或停止，根據(jù)由電機帶動滑動變阻器產生的反饋電壓，該系統(tǒng)還具備電機位置定位的功能，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功能，使得該系統(tǒng)界面友好，操作容易；電路板的設計加入了電源防反接、抗電磁串擾、雙通道采樣電路提高采樣精準度等的各種優(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)的實用性。

H橋；單片機；電機定位；定位方式

1 電機驅動電路的仿真

在本設計系統(tǒng)中，電路驅動能力的驗證是一個非常重要的因素，在仿真驗證中，采用National Instrument公司設計的專用電路仿真軟件對本設計進行了理論驗證，從電源端看過去，電機在運轉時為一個負載，其功效相當于一個等效電阻，故在理論驗證中，可用等效電阻替代電機作為仿真。對本系統(tǒng)使用的電機進行參數(shù)測量，測得電機在空載狀態(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 電機驅動仿真圖

通過對電機空載傳動，方向選擇，電流調節(jié)，過載傳動的仿真得出了電機驅動電路設計的正確性和合理性。

2 系統(tǒng)的硬件設計

硬件系統(tǒng)的設計大體可以分為電路穩(wěn)壓設計、電機驅動設計、單片機最小系統(tǒng)及外設設計，A/D采樣設計、電機驅動部分與單片機電路部分相互隔離等五大部分。核心則是電機驅動設計。

2.1 核心電路驅動

本設計采用的是博山微電機廠生產的90ZYT型微直流電機，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驅動，Mos管具有柵源極內阻大、源漏極電流可以通過很大的電流等特點，加入PWM控制和電機轉動方向控制，如圖2所示。

電路中電流調節(jié)的原理：在K1、Q7、H橋這個回路中，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，對應的Ih也是可變的。

電路的工作方式：當K1使能時，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導通，MOTO_P端電壓接近0V，同時，Q4端導通，MOTO_N端電壓接近電源電壓，故電流從Q4端流入，經過電機，流入Q5端，再到地端，形成回路，電機得以向一個方向轉動。同理，當方向選擇端為高電平，則Q2，Q6導通，Q4，Q5截止，電流從Q2端流入，經過電機，再通過Q6，最后接地，形成另一條回路，電機方向跟方向選擇端為低電平時剛好相反，電機得以向相反的方向轉動，通過控制電機方向選擇端的高低電平達到對電機正反轉的控制。

3 系統(tǒng)的軟件設計

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

軟件的設計采用模塊化的方法，遵循高內聚、低耦合的程序設計原則，先將各個部分模塊的功能用相應的文件編寫好，然后通過最頂層的函數(shù)進行協(xié)調處理，已達到系統(tǒng)的預期設計功能。軟件設計總體包括主函數(shù)模塊、系統(tǒng)初始化模塊、A/D轉換模塊、軟件延時模塊、液晶驅動模塊、PWM控制產生模塊、蜂鳴器控制模塊、電機基準時間模塊、電機工作控制模塊、按鍵模塊、圖形界面處理模塊、波動開關模塊、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個部分。

圖2 帶方向和PWM控制的MOS管H橋驅動電路

圖3 軟件的總體框

4 電機驅動電路的測試

4.1 電機方向選擇測試

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

表1 電機方向選擇參數(shù)測試

表2 電機驅動電流可調節(jié)參數(shù)測試

表3 最大驅動電流大于200mA的參數(shù)測試

4.2 電機定位的測試

本系統(tǒng)的設計有最快速度到達和最平穩(wěn)到達兩種定位模式，測試如表所示。