基于c8051的直流无刷电机控制系统的设计

Ｉ　一皇　蕴　…………………………．　基于单片机Ｃ８０５　１　Ｆ０２０控制直流电机的设计　漯河技师学院王博　【摘要】本设计Ｃ８０５１Ｆ０２０￣片机为核心，以４　４矩阵键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。在设计中，采用了　ＰＷＭ技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。　【关键词】Ｃ８０５１Ｆ０２０；ＰＷＭ调速　一、设计方案　１．电机调速控制模块　采用由达林顿管组成的Ｈ型ＰＷＭ电路。用单　片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开　关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于　工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；　Ｈ型电路保证了可以简单地实现转速和方向的　控制：电子开关的速度很快，稳定性也极佳，　是一种广泛采用的ＰＷＭ调速技术。　２．ＰｗＭ调速工作方式　单极性工作制。单极性工作制是单片机控　制口一端置低电平，另一端输出ＰＷＭ信号，两　口的输出切换和对ＰＷＭ的占空比调节决定电动　机的转向和转速。　３．ＰｗＭ调脉宽方式　采用了定频调宽方式，因为采用这种方　式，电动机在运转时比较稳定并且在采用单片　机产生Ｐ￣ｔｌｌ脉冲的软件实现上比较方便。　４．ＰＷＭ软件实现方式　基于不占用定时器资源，对直流电机采用　软件延时所产生的定时误差在允许范围之内。　二、系统分析与设计　总体设计方案的硬件部分详细框图如图１　所示。　４　ｘ　４ｍ—。—。Ｊ’‘’ｌ　：　。　。　’　Ｌ　————　～—．．—．．ｊ　图１系统总框图　键盘向单片机输入相应控制指令，由单　片机通过Ｐ２．Ｏ与Ｐ２．１其中一口输出与转速相　应的ＰＷＭ脉冲，另一口输出低电平，经过信号　放大、光耦传递，驱动Ｈ型桥式电动机控制电　路，实现电动机转向与转速的控制。电动机的　运转状态通过ＬＥＤ显示出来。电动机所处速度　级以速度档级数显示。正转时数字向右移动，　反转时数字向左移动。移动速度分７档，快慢　与电动机所处速度级快慢一一对应。每次电动　机启动后开始计时，停止时ＬＥＤ显示出本次运　转所用时间，时间精确到０．ｉｓ。　１．系统的硬件电路设计与分析　电动机ＰＷＭ驱动模块的电路设计与实现具　体电路如图２所示。　本电路采用的是基于ＰＷＭ原理的Ｈ型桥式驱　动电路。ＰＷＭ电路由四个大功率晶体管组成Ｈ型　桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合分为　两组：根据两个输入端的高低电平决定晶体管　的导通和截止。４个二极管在电路中起防止晶　体管产生反向电压的保护作用。４个电感在电　路中是起防止电动机两端的电流和晶体管上的　电流过大的保护作用。　在实验中的控制系统电压统一为５ｖ电源，　因此若达林顿管基极由控制系统直接控制，则　控制电压最高为５Ｖ，再加上三极管本身压降，　加到电动机两端的电压就只有４Ｖ左右，严重减　一１８一申－Ｊ￣－ｔ！ｔｎ　弱了电动机的驱动力。基于上述考虑，我们运　用了４Ｎ２５光耦集成块，将控制部分与电动机的　驱动部分隔离开来。输入端各通过一个三极管　增大光耦的驱动电流；电动机驱动部分通过外　接１２Ｖ电源驱动。这样不仅增加了各系统模块　之间的隔离度，也使驱动电流得到了大大的增　强　图２电动机Ｐ嗍驱动模块电路　在电动机驱动信号方面，我们采用了占空　比可调的周期矩形信号控制。脉冲频率对电动　机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带带　负载能力差脉冲频率低则反之。经实验发现，　脉冲频率在４０Ｈｚ以上，电动机转动平稳，但加　负载后，速度下降明显，低速时甚至会停转；　脉冲频率在１０Ｈｚ以下，电动机转动有明显跳动　现象　实验证明，脉冲频率在１５Ｈｚ一３０Ｈｚ时效　果最佳。而具体采用的频率可根据个别电动　机性能在此范围内调节。通过Ｎｌ输入信号，Ｎ２　输入低电平与Ｎｌ输入低电平，Ｎ２输入信号分别　实现电动机的正转与反转功能。通过对信号占　空比的调整来对车速进行调节。速度分７档控　制，从高电平（第６档）到低电平（第０档）中间占　空比以２０％逐极递减。速度微调方面，可以通　过对占空比以１％的跨度逐增或逐减分别实现对　速度的逐加或逐减。　２．系统的软件设计　本系统编程部分工作采用ＫＥＬＩ—Ｃ５Ｉ语言　完成，采用模块化的设计方法，与各子程序做　为实现各部分功能和过程的入口，完成键盘输　入、按键识别和功能、ＰｗＭ脉宽控制和ＬＥＤ显示　等部分的设计。　①ＰｗＭ脉宽控制：本设计中采用软件延时　方式对脉冲宽度进行控制，延时程序函数如　下：　ｖｏｉｄ　ｄｅｌａｙ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　ｄｌｙｌｅｖｅ１）　｛ｉｎｔ　ｉ＝５０＊ｄｌｙｌｅｖｅｌ：　ｗｈｉｌｅ（一ｉ）：｝　此函数为带参数ＤＬＹＬＥＶＥＬ，约产生ＤＬＹＬＥＶＥＬ　＊４００ｕｓ的延时，因此一个脉冲周期可以由高电　平持续时间系数ｈｉｔ和低电平持续时间系数ｌｌｔ　组成，本设计中采用的脉冲频率为２５Ｈｚ，可得　ｈｌｔ＋ｌｌｔ＝ｌＯ０，占空比为ｈｌｔ／（ｈｌｔ＋ｌｌｔ），因此要　实现定频调宽的调速方式，只需通过程序改变　全局变量ｈｌｔ，ｌ１ｔ的值。　②键盘中断处理子程序：采用中断方式，　按下键，单片机Ｐ３．２脚产生一负跳沿，响应该　中断处理程序，完成延时去抖动、键码识别、　按键功能执行。　调速档、持续加／减速：调速档通过（０－６）　共七档固定占空比，即相应档位相应改变　ｈｌｔ，ｌｌｔ的值，以实现调速档位的调速。而要　实现按住）ｍ／减速键不放时恒加或恒减速直到　放开停止，就需在判断是否松开该按键时，　每进行一次增加／减少１％占空比（即ｈｌｔ＋＋／一　：ｌｉｔ一一／＋＋）。　③显示子程序：利用数组方式定义显示缓　存区，缓存区有８位，分别存放各个ＬＥＤ管要显　示的值。显示子程序为一带参子程序，参数为　显示缓存的数组名，通过ｆｏｒ（ｉ＝０：ｉ＜８：ｉ＋＋）方　式对每位加上位选码，送到Ｐ０口并进行一两毫　秒延时。　该显示子程序只对各个ＬＥＤ管分别点亮一　次，因此在运行过程中，每秒执行的次数不应　低于每秒２４次。　④定时中断处理程序：采用定时方式ｌ，　因为单片机使用１　２Ｍ晶振，可产生最高约为　６５．５ｍｓ的延时。对定时器置初值３ＣＢＯＨ可定时　５０ｍｓ，即系统时钟精度可达０．０５ｓ。当５０ｍｓ定　时时间到，定时器溢出则响应该定时中断处理　程序，完成对定时器的再次赋值，并对全局变　量ｔｉｍｅ加１，这样，通过变量ｔｉｍｅ可计算出系　统的运行时间。　对于一个数的显示，先应转成ＢＣＤ码，即　取出每一个位，分别送入显示缓存区，对于转　ＢＣＤ的算法，应对一个数循环除１Ｏ取模，直至　为０，程序如下：　ｄｏ｛ｄｉｓｐｂｕｆｆ［ｂｃｄＡ￣］＝ｂｅｃｈａｎｇｅ％１０：／　／　ｄｉｓｐｂｕｆｆ为显示缓冲区数组　ｂｅｄ＿ｐ＋＋：｝ｗｈｉ　ｌｅ（ｂｅｃｈａｎｇｅ／＝１０）　／／　ｄｉ　ｓｐ＿ｐ为数组指针　软件设计中的特点：　（１）对于电机的启停，在Ｐ眦控制上使用渐　变的脉宽调整，即开启后由停止匀加速到默认速　度，停止则由于当前速度逐渐降至零。这样有利　于保护电机，如电机运用于小车上，在启动上采　用此方式也可加大启动速度，防止打滑。　（２）对于运行时间的计算、显示。配合传　感器技术可用于计算距离，速度等重要的运行　数据。　（３）键盘处理上采用中断方式，不必使程　序对键盘反复扫描，提高了程序的效率。　三、结语　本设计在硬件上采用了基于ＰＷＭ技术的Ｈ　型桥式驱动电路，解决了电机马驱动的效率问　题，在软件上也采用较为合理的系统结构及算　法，提高了单片机的使用效率，且具有一定的　防飞能力。　参考文献　ｎ】王晓明．电动机的单片机控制（第３版）呻．北京：北京航　空航天大学出版社，２０１１：７０—７９．　［ｚ］潘琢金，施国君．Ｃ８０５１Ｆｘｘｘ高速ＳＯＣ单片机原理及应　用口吗．北京：北京航空航天大学出版社，２００２：４３－８２．　【３］王志新，罗文广．电机控制技术咖．北京：机械工业出版　社．２０１０：１９—３５．　作者简介：王博，助理讲师，主要研究方向：单片机　技术、电子技术。

一、总体设计概述

本设计基于8051单片机为主控芯片，霍尔元件为测速元件， L298N为直流伺服电机的驱动芯片，利用 PWM调速方式控制直流电机转动的速度，同时可通过矩阵键盘控制电机的启动、加速、减速、反转、制动等操作，并由LCD显示速度的变化值。

二、直流电机调速原理

根据直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和它励两种类型，其机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速，总满足下式：

式中U——电压；

Ra——励磁绕组本身的内阻；

——每极磁通（wb ）;

Ce——电势常数；

Ct——转矩常数。

由上式可知，直流电机的速度控制既可以采用电枢控制法也可以采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但是低速时受到磁场和磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。

电枢控制法在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上来控制电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中串连一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低，平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制法。如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制（PWM）调压等。调压调速法具有平滑度高、能耗低、精度高等优点，在工业生产中广泛使用，其中PWM应用更广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上的电压的“占空比”来改变平均电．

压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如果电机始终接通电源是，电机转速最大为Vmax，占空比为D=t1/t，则电机的平均转速：Vd=Vmax*D，可见只要改变占空比D，就可以调整电机的速度。平均转速Vd与占空比的函数曲线近似为直线。

附录D -无刷直流电动机代码

//-------------------------------------------------------------------

//例子4

//无刷直流电机控制

//-------------------------------------------------------------------

//版权所有2004 Silicon Laboratories公司

//

//认证：KAB

//日期：2004.05.24

//

//这一程序规定，无刷直流电动机控制使用PCA为8位PWM模式。一个单一的PCA模块生成//一个8位PWM 。引脚跳过xbr0使PWM之间的三个输出p1.0，p1.1＆p1.2多元化。这三//个输出用于驱动下晶体管3相桥的配置。p0.4p0.5＆p0.6用来驱动上晶体管。

//

//ADC用来读取电位器p0.6上的电压。ADC使用查询模式和64样品平均。

//

//p0.0，p0.1，p0.2用于霍尔效应传感器输入。这个引脚用于确定转子位置。The

//readHalls() function需要三个相同的样本，并返回the hall code。从//hallpattern发现电机的通讯状况，这种状况然后用于使电机方向转换。

//

//单步和使用断点只与电机电线断开是安全的。不要通过代码单步与电机电线连接。PWM输出//当CPU停止工作时仍然存在。 尤其不要单步越过那些产生PWM的电线。这些电线应该在所//有盒式磁带程序设计系统中用注释标记好

//

//目标： c8051f33x

//

//工具链： KEIL Eval ‘c’

//-----------------------------------------------------------------------------

// Includes

无刷直流电机控制系统的设计

Pleasure Group Office【T985AB-B866SYT-B182C-BS682T-STT18】 1 引言

无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始，由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备的重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。

无刷直流电机的发展概况

无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。

19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不断的发展，直流电机进入成熟阶段，并且运用广泛。

1955年，美国的申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，形成了现代无刷直流电动机的雏形。

在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现，标志着真正的无刷直流电机的出现。

20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高，极大地推动了电机在高性能领域的应用。

1987年，在北京举办的德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了我国有关学者的注意，自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前，我国无刷直流电机的系列产品越来越多，形成了生产规模。 无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展，无刷直流电机发展的初期，由于大功率开关器件的发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料和驱动控制技术的约束，这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内，都停留在实验阶段，无法推广到实际中使用，1970年以后，半导体的快速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如MOSFET、IGBT等）不断出现，而且高性能的永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现[2]，这些都为无刷直流电机广泛应用提供了有利的条件。