基于單片機的多軸直流電機控制系統(tǒng)設計

縱榜峰，曹吉花

(宿州學院機械與電子工程學院，安徽宿州234000)

基于單片機的多軸直流電機控制系統(tǒng)設計

縱榜峰，曹吉花

(宿州學院機械與電子工程學院，安徽宿州234000)

本設計是一種基于單片機的多軸直流電機控制系統(tǒng).該系統(tǒng)以AT89C52RC單片機作為核心控制器，通過三個按鍵把所選電機的編號和控制要求發(fā)送給單片機，單片機經(jīng)過處理后把相應的控制指令發(fā)送給所選電機的調速驅動電路，通過PCF8591進行數(shù)模轉換后再通過LM324組成的調速電路產(chǎn)生穩(wěn)定的不同占空比的脈沖電壓(PWM)來實現(xiàn)對電機的加速、減速和其它控制要求.同時，所有操作信息和電機轉速都在顯示模塊中進行實時顯示，滿足了對多軸直流電機的各種控制要求.

單片機;多軸電機控制;調速驅動

電機是工業(yè)生產(chǎn)中的重要動力來源，隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化水平的提高，多軸電機在自動化的生產(chǎn)線和大型自動車床中被廣泛應用.本系統(tǒng)以5個24V 30W的直流電機作為控制對象，以主控模塊上的三個功能按鍵(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的轉速情況進行操作按鍵來控制電機的編號選擇和轉速增減的調節(jié)，key mode控制電機的編號，每按一下，電機的編號增加1;key up和key down控制電機的轉速，每按一下key up電機轉速增加X rad/s，每當按下key down電機轉速減少X rad/s，X的值可根據(jù)控制要求在程序中進行設置.最終實現(xiàn)五個電機相互獨立轉動，互不干擾，又可同時對它們的啟停和加減速進行自由控制.

1 系統(tǒng)設計方案

該系統(tǒng)主要由主控模塊、顯示模塊、電機調速驅動模塊、電機模塊和功能按鍵模塊組成，系統(tǒng)結構如圖1所示.操控者根據(jù)顯示模塊上所顯示的每個電機的轉動情況通過功能按鍵和顯示模塊的操作提示對單片機發(fā)出操控指令，經(jīng)單片機處理后通過驅動接口向調速驅動模塊發(fā)送指令，該指令首先通過PCF8591實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號與模擬信號地轉換，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)來實現(xiàn)直流電機的加速減速和選擇的其它控制要求［1］.同時電機的轉速會實時反饋到控制模塊，再由控制模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示模塊進行顯示.

2 系統(tǒng)硬件電路設計

整個系統(tǒng)硬件主要包括四部分:主控系統(tǒng)電路、顯示電路、數(shù)模轉換電路和調速電路.主控電路以單片機為控制核心，外加一個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)模轉換電路主要把單片機的控制信號轉換成模擬信號為下一步的調速脈沖信號提供信號源.調速電路主要把數(shù)模轉換后的控制信號進行處理變成不同占空比的脈沖信號，從而實現(xiàn)對直流電機的轉速控制.

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單片機作為控制器，擁有8051內核的STC89C52RC單片機是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，片內含8K bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，這些特點使得STC89C52能為控制系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案［2］.單片機和計算機的通信方式采用的是串口通信，利用MAX232實現(xiàn)RS232與TTL之間的電平轉換，使得單片機和計算機之間能夠進行串行通信.功能按鍵主要由三個按鍵組成，分別控制電機的選擇、減速和加速.連續(xù)按下點擊選擇按鍵，顯示器上就會出現(xiàn)不同的電機編號，操作者可從中選擇需要控制的電機，然后再通過按加速和減速按鍵對所選擇的電機進行控制操作.整個控制系統(tǒng)電源采用穩(wěn)定的直流5V電源供電.同時，主控模塊還設有液晶顯示接口，并把單片機的P20和P21口作為連接PCF8591芯片的SDA和SCL接口，這些接口實現(xiàn)了和其他模塊電路的有效連接.

圖1 系統(tǒng)結構框圖

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的點陣LCD，采用串行通信，接口信號線少，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電機的編號轉速等信息.模塊直接和控制模塊的液晶接口連接即可.

2.3 調速驅動電路

根據(jù)直流電機的原理，其轉速計算公式可表示為: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為電動機結構參數(shù).通過公式可看出，直流電機轉速和U、I有關，并且可控量只有這兩個，因此要對直流電機進行速度控制可通過調節(jié)這兩個量來實現(xiàn)，而I可以通過改變電壓進行改變，因此本設計采用PWM控制也就是用來調節(jié)電壓波形的方法來進行電機轉速的調節(jié)［3］.

圖3 數(shù)模轉換電路

單片機輸出的控制信號首先經(jīng)過數(shù)模轉換電路，轉換電路如圖3所示，核心器件是PCF8591，PCF8591是一種單片集成、單獨供電、低功耗、8－bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件，具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口.在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸.經(jīng)過數(shù)模轉換后的信號接入由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節(jié)電機的轉速［4］.驅動調速電路如圖4所示.

圖4 調速驅動電路

3 系統(tǒng)軟件設計

單片機軟件的開發(fā)采用常用的開發(fā)工具Keil，利用C語言進行編程.主程序流程圖如圖5所示.系統(tǒng)初始化后對三個操作按鍵的動作進行掃描，判斷按鍵是否按下，當加速或減速按鍵被按下，則調用加速和減速子程序，若按鍵沒有動作則忽略子程序進行轉速正常顯示.

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.當電機轉動的時候，按下加速鍵，出于對電機和傳動裝置的保護，程序首先判斷電機轉速是否達到設定的上限，然后再調用加速子程序，使電機每轉動一步的延時時間變短，從而實現(xiàn)電機的加速.

減速子程序流程圖如圖7所示，電機轉動的時候，按下減速鍵，程序首先判斷電機是否轉動，以此為依據(jù)來判斷電機是否繼續(xù)減速.然后再調用減速子程序，通過改變電機每轉動一步的延時時間，使時間變長，從而實現(xiàn)電機減速.

圖7 減速子程序流程圖

4 結束語

該控制系統(tǒng)經(jīng)過反復論證和實驗調試，各項指標達到預期要求，所以文中所介紹控制系統(tǒng)的硬件和軟件的設計正確可行，且該方法成本較低、易于實現(xiàn)、性能穩(wěn)定、效率較高，具有一定的實用價值，也為單片機應用的類似設計提供了參考經(jīng)驗.

［1］柳亞，陽泳，胡湘娟.基于STC89C52單片機的直流電機控制設計［J］.數(shù)字技術與應用，2015(6):21.

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

［3］庹朝永.基于單片機的直流電機PWM調速系統(tǒng)設計與開發(fā)［J］.煤炭技術，2011(6):62－63.

［4］李美菊.基于單片機的直流電機變速控制系統(tǒng)設計［J］.電子技術與軟件工程，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

宿州學院產(chǎn)學研項目(2014cxy03);安徽省高校自然科學研究項目(KJ2015A200)

縱榜峰(1981－)，男，安徽宿州人，宿州學院機械與電子工程學院講師.