朱通

（天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院，天津，300400）

0 引言

隨著科技水平的日益提高，自動(dòng)化、直流電機(jī)控制相關(guān)技術(shù)也越來越完善，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于直流電機(jī)的研究不斷地深入。因此，目前直流電機(jī)發(fā)展越來越迅速。相比于交流電機(jī)而言，直流電機(jī)在生產(chǎn)成本以及維護(hù)成本等方面的確處于劣勢(shì)，但是直流電機(jī)具有啟動(dòng)性能好以及速度平穩(wěn)性高等特點(diǎn)。因而直流電機(jī)常常被應(yīng)用到需要自由移動(dòng)、沒有交流電的場景中。最早具有調(diào)速功能的電機(jī)是直流電機(jī)，直流電機(jī)作為應(yīng)用最為廣泛的電機(jī)中的一種，在平時(shí)的生產(chǎn)生活中發(fā)揮著不可替代的作用，所以對(duì)于直流電機(jī)的研究有著十分重要的意義[1]。

同時(shí)，在現(xiàn)代社會(huì)單片機(jī)因?yàn)橛兄杀镜汀Ⅲw積小、易于操作等優(yōu)點(diǎn)得到普遍應(yīng)用，在電機(jī)控制方面也有著廣泛的結(jié)合應(yīng)用并取得較好的效果。正是由于目前單片機(jī)功能比較強(qiáng)大，適用范圍較廣，同時(shí)能夠滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，為整個(gè)系統(tǒng)提供更為多樣化功能，因此本設(shè)計(jì)選擇單片機(jī)作為控制模塊。目前而言在一些生產(chǎn)領(lǐng)域，需要設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向并做到實(shí)時(shí)監(jiān)控的行業(yè)領(lǐng)域，現(xiàn)有的一些傳統(tǒng)電機(jī)系統(tǒng)不能很好地應(yīng)用其中，為擴(kuò)大直流電機(jī)的應(yīng)用范圍本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以Atmega128 型單片機(jī)為核心，對(duì)主控模塊、電源模塊、解碼模塊、通信模塊、下載模塊、數(shù)字顯示按鍵模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等多個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向控制以及監(jiān)控等功能，通過設(shè)計(jì)電路搭建實(shí)物平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)具有良好的性能，且具有一定的實(shí)用價(jià)值[2]。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

本系統(tǒng)主要任務(wù)為制作一套基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)控功能的實(shí)驗(yàn)裝置。可用按鍵設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，單片機(jī)基于編碼器實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制器輸出控制電機(jī)按照設(shè)定參數(shù)運(yùn)行，同時(shí)使得電機(jī)的參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)都可在LCD 上顯示，且可以通過串口通信將檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息傳送到上位機(jī)，其系統(tǒng)總體構(gòu)成圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

圖2 驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖

圖3 編碼器反饋模塊原理圖

圖4 RS232 電平轉(zhuǎn)換電路

2 系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)，分析完成該系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)。通過分析構(gòu)建直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制硬件系統(tǒng)，主要包括主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、編碼器的反饋模塊、通信模塊、數(shù)字顯示按鍵模塊以及電源模塊[3]。

■2.1 主控模塊

作為整個(gè)系統(tǒng)控制中心的主控模塊，本系統(tǒng)采用Atmega128 型單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度控制。相對(duì)于其他類型的單片機(jī)，Atmega128 型單片機(jī)具有速度快、外設(shè)豐富、穩(wěn)定性好，抗干能力強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)靈活、程序空間和尋址能力大等優(yōu)點(diǎn)[3]。

Atmega128 是AVR RISC 結(jié)構(gòu)的微型處理器，具有8位功能。正是由于該處理器具有單周期指令時(shí)間和先進(jìn)指令集、數(shù)據(jù)吞吐率較高的特點(diǎn)，能夠在一定程度上解決系統(tǒng)在處理速度與功能損耗之間的矛盾問題，因此選用該型號(hào)單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制中心。

■2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用集成電路LMD18200 實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)單極性驅(qū)動(dòng)。由于LMD18200 需要24V 電壓提供電源，而主控板輸出的電壓只有5V，所以我們采用LM2576 穩(wěn)壓芯片來實(shí)現(xiàn)5V穩(wěn)壓輸出。為了防止因24V 電壓過高而導(dǎo)致電壓逆流，在驅(qū)動(dòng)板中還加入了光耦隔離芯片防止這種情況的發(fā)生。

■2.3 編碼器的反饋模塊

該部分采用參數(shù)為1024 脈沖/r 的光電編碼器。采用編碼器實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋，如將增量編碼器信號(hào)直接連接到單片機(jī)I/O 口，則單片機(jī)需進(jìn)行較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理獲取電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，擬利用集成電路HTCL-2032 實(shí)現(xiàn)編碼器信號(hào)的處理，以減輕主控單片機(jī)工作量。HTCL-2032 在改善數(shù)字輸入系統(tǒng)和閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方面有一定的作用，它擁有8位總線接口和二進(jìn)制上下數(shù)狀態(tài)計(jì)數(shù)器以及雙軸能力和索引通道計(jì)數(shù)器，因?yàn)榫哂惺┟芴赜|發(fā)方式，所以可在高噪音環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)作為含有32 位計(jì)數(shù)器包含正交解碼輸出信號(hào)和串級(jí)信號(hào)的芯片，可以與多種計(jì)算機(jī)芯片搭配使用，并可以在-40℃~100℃的溫度范圍內(nèi)工作。

在根據(jù)檢測(cè)的原理方面編碼器分為電容式、光學(xué)式、感應(yīng)式以及磁式四種。在刻度方法和信號(hào)輸出形態(tài)的方面，可分為增量、絕對(duì)和混合三種類型。為配合系統(tǒng)搭建，本系統(tǒng)采用增量式編碼器。增分編碼器直接使用光電變換原理輸出球形波脈沖A、B 和Z 位相三組。由于脈沖A 和B兩組之間的相位差為90 度，因此可以很容易地判斷旋轉(zhuǎn)方向，而Z 相位是每旋轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于指定基準(zhǔn)點(diǎn)位置。該編碼器由于具有簡單的原理結(jié)構(gòu)，機(jī)器的平均壽命可達(dá)數(shù)萬小時(shí)以上，具有強(qiáng)大的防干擾能力，適合長距離傳輸，具有很高的可靠性，因此常常被廣泛應(yīng)用[4]。

■2.4 通信模塊

本系統(tǒng)設(shè)置了RS232 通信模塊，方便上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及控制效果查詢。RS232 是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種電氣標(biāo)準(zhǔn)，但它的電平不是地和+5V，是采用了一種負(fù)邏輯原理，具體表示如表1 所示。

表1 RS232邏輯對(duì)照表

對(duì)于TTL 電平的表示如表2 所示。

表2 TTL電平邏輯對(duì)照表

表3 點(diǎn)陣型液晶模塊引腳圖

因此，RS232 接口不能和TTL 電平匹配，使用時(shí)選用MAX232 作為電平轉(zhuǎn)換芯片。

■2.5 顯示模塊

本系統(tǒng)使用LCD1602 液晶顯示屏作為顯示模塊。通過該顯示模塊可以實(shí)時(shí)顯示目前系統(tǒng)的狀態(tài)、數(shù)字以及符號(hào)等信息。

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，本模塊主要特點(diǎn)如下：

（1）用途：顯示當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速和所設(shè)定的電機(jī)轉(zhuǎn)速以及PID 參數(shù)。

（2）原理：該LCD1602 最多可顯示32 個(gè)字符，第一行16 個(gè)字符，第二行16 個(gè)字符。從00H 開始共80 個(gè)地址位。如果要顯示設(shè)定字符，則要將該字符的ASSIC 碼和位置地址作為輸入，然后通過點(diǎn)陣和字模進(jìn)行輸出。點(diǎn)陣是由小方格組成的，在輸入ASSIC 碼后，LCD1602 會(huì)調(diào)用字模存儲(chǔ)器，在字模存儲(chǔ)器中，1 代表實(shí)心小方格，0 代表空心小方格，這樣就可以通過無數(shù)個(gè)小方格顯示出對(duì)應(yīng)的字符。

■2.6 電源模塊

系統(tǒng)工作時(shí)，需要24V 和5V 兩種電壓制式。其中，24V 用來對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電，5V 用來向HTCL-2032 芯片、單片機(jī)及LCD1602 等器件供電。24V 直接通過開關(guān)電源提供，5V 擬通過LM2576 電源轉(zhuǎn)換芯片提供。

LM2576 各個(gè)引腳功能說明如表4 所示。

表4 LM2576各引腳功能

在電路系統(tǒng)中因?yàn)長C 過濾器電路可以滿足紋波較高的環(huán)境要求，LM2576ADJ 的工作頻率較高，工作效率在82%以上，不需要很大的電感量。LM2576 的工作原理是：引腳1 是誤差放大器的輸出端，外部頻率補(bǔ)償RC 電路。由于內(nèi)部PWM 比較器的變頻輸出受誤差放大器輸出的控制，RC 電路具有軟啟動(dòng)功能。啟動(dòng)后，如果輸出電壓沒有設(shè)定，取樣放大器的輸出將充電到C，隨著C 的充電過程，引腳1 電位會(huì)慢慢上升，脈沖的幅度會(huì)逐漸增大，直到輸出穩(wěn)定在額定電壓。引腳5 是電壓輸入端，允許輸入電壓范圍為4~40V。芯片內(nèi)部有欠壓保護(hù)電路，為了防止輸入電壓過低，達(dá)不到升降額定電壓時(shí)，脈沖幅度急劇增加，使開關(guān)管的電流過大而受損。為了防止這種現(xiàn)象，電壓過低保護(hù)的閾值隨輸出電壓而變化[5]。用于檢測(cè)誤差的放大器輸入內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)與LM2576ADJ 相同。

LM2576 應(yīng)用注意事項(xiàng)：

（1）反饋線應(yīng)遠(yuǎn)離電感，在電路中的續(xù)流二極管、接地與控制端口以及輸入、輸出電容器的連接線應(yīng)盡可能的短而粗。

（2）在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不必考慮散熱問題，因?yàn)楦髟骷哂休^高的轉(zhuǎn)換效率。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)搭建完畢后，需要通過對(duì)單片機(jī)編程后，通過指令才能實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速等功能，主要的程序步驟如下所示[6]：

Step1：根據(jù)硬件實(shí)物連接圖，設(shè)置單片機(jī)各個(gè)引腳參數(shù)。

Step2：單片機(jī)輸入端設(shè)置。按照按鍵與單片機(jī)引腳連接方式，給相對(duì)應(yīng)的引腳設(shè)定相應(yīng)值，觸發(fā)某個(gè)按鍵，相應(yīng)引腳產(chǎn)生高低電平變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向的控制；同時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速作為輸入端通過解碼后傳輸至輸入端。

Step3：單片機(jī)輸出端設(shè)置。根據(jù)實(shí)物連接圖，通過輸入端電平變化控制輸出端相應(yīng)引腳產(chǎn)生電平值變化，根據(jù)數(shù)值轉(zhuǎn)化完成速度等功能實(shí)現(xiàn)；根據(jù)輸入端輸入轉(zhuǎn)速，輸出相應(yīng)數(shù)值連接顯示模塊，顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速。

根據(jù)硬件系統(tǒng)，軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5 所示。主要是通過判斷按鈕按下方式、判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)速信息來控制電機(jī)的運(yùn)行。

圖5 軟件設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

通過搭建實(shí)物演示平臺(tái)，對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證，在輸入端輸入一定轉(zhuǎn)速數(shù)值與轉(zhuǎn)向后可以快速啟動(dòng)電機(jī)達(dá)到預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速值，通過顯示模塊可顯示電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，經(jīng)過多次數(shù)值輸入反復(fù)測(cè)試，表明該硬件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的控制，且具有良好的性能，可以應(yīng)用在一些需要轉(zhuǎn)速監(jiān)控的工業(yè)生產(chǎn)中，具有一定的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。