直流小电机单片机控制系统答辩【PIC单片机在电机控制系统的综合应用】

直流小电机单片机控制系统答辩【PIC单片机在电机控制系统的综合应用】 摘要:本电机控制系统以内部资源丰富的PIC单片机为核心,通过外部电位器或外部电压模拟量、内部电位器、外部脉冲信号、键盘模块、上位机及精巧的电机驱动电路模块和较精确的霍尔传感器来控制电机加减速、换向、启动/停止及其定位,经过LCD显示模块指示电机的运行状态。实践结果表明,该设计方案合理可行,有应用场合多,操作简单,成本适中,功能强大,功率较大,应用灵活,可靠性高等优点,使PIC单片机得到综合利用。 关键词:PIC单片机 LCD显示 上位机 电机控制系统 : :A:1007-9416(xx)05-0000-00 1 引言 随着机器人技术的发展,各种电力拖动的应用,电力电子的发展,电机控制系统也在工业和人们生活当中得到广泛的应用,如电动车、打印设备、机器人等都用到电机控制系统,经过市场调研发现市场上很多电机控制器,一些只有部分功能。兼容多种场合应用、操作方便的控制系统较少。因此,研制开发新型、综合性、多场合兼容电机控制系统有非常重要意义。 结合生活实际应用和工作经验,设计了一款新型直流电机控制器。本控制器是以功能强大、价格低廉的PIC单片机为核心,以显示键盘,电机驱动,传感器,上位机串口控制,外部信号控制等电路模块共同组成。 2 系统总体设计方案 PIC单片机处理器经过检测按键、外部电位器和模拟量、外部PWM信号、上位机信号和电机传感器信号,将取来的信号经过处理后,送到电机驱动电路模块进而驱动控制直流电机相应动作,同时,为了让电机平稳的运转,将电机传感器传输过来的信号经过PID算法和频率同步算法,计算结果和检测电机的有关数据送LCD显示模块显示,让客户较清楚地了解电机实时情况,以便相应的操作。 3 系统硬件设计 整个系统由信号处理电路、PIC18F单片机系统、直流电机驱动电路和反馈信号检测处理电路等几部分组成,本系统设计硬件框图如图所示 3.1 单片机系统 单片机系统主要有CPU、程序存储器EPROM、数据存储器SRAM、通信功能、多路A/D 采样、CCP/PWM功能、RB弱上拉功能、多个定时器、外中断和串行口通讯等组成。为满足多端口多功能设计的要求,装置设计中采用PIC18F4520单片机。利用PIC18F4520可以减少外围电路,且其引脚具有防瞬态能力,可直接与控制电路相连,无须光电耦合器隔离,给应用带来极大方便,另外还可提供20mA 的电流,可直接驱动LCD。 3.2 通信接口电路 RS-485 由于使用了差分电平传输信号,传输距离比RS-232 更长,最多可以达到3000 m,因此很适合工业环境下的应用。本设计采用RS-485 通信方式与PC 机实现通信,进而实现远程控制。本系统利用RC6、RC7口作为串行接口。 3.3 键盘及显示电路 3.3.1、键盘设计 根据设计需求,需启/停、加速、减速、设置、换向等按键。可将操作模式及有关参数存入单片机中。以便下次运用时,直接调出该运行模式,减小每次繁琐操作。 3.3.2、显示电路 在本设计中,显示的主要是参数(占空比,转速,方向),选用16*2的TS1620显示屏,它成本低,显示较完整。显示电路的设计采用单片机RD0-RD7口作为并行口与TS1620的DB0-DB7相连接,将RE0-RE2口分别与RS、RW、EN相连。 3.4 AD转换电路模块 由于PIC18F4520单片机本身带有AD转换接口,所以不用外加AD转换芯片,这样就减化了外部电路。该转换电路模块用PIC单片机的AN0、AN1和AN3三个AD转换接口分别作为调速电位器、延时坡度电位器和最大限流电位器接口。 3.5 外部脉冲信号模块 该系统充分利用PIC18F4520的CCP/PWM接口功能,为了防止外部脉冲信号对单片机的干扰,采用光电隔离的方式将外部信号源与PIC单片机隔开。该功能充分利用单片机的CCP功能,我们选择CCP3口作为该功能的端口。主要用来捕捉外部信号的下降沿作为该脚的中断,其中外部信号频率设定在0-80KHz范围。经过中断计算脉冲数来反馈到电机驱动电路,进而控制电机。 3.6 电机传感器信号检测电路 信号检测电路是用来检测电机运转角度的有关装置。传感器产生的脉冲信号经过74HC14两级驱动放大,送到单片机RB6、RB7的对应引脚上,利用单片机RB口的弱上拉功能,实现单片机对电机的实时检测。 3.7 电机驱动电路 根据设计要求和实际应用参数,本电机控制系统,选择IR540和IR2104芯片为驱动器件。利用单片机的RC1/CCP1和RC2/CCP2脚产生39KHz频率的PWM信号,PWM信号分辨率高达10位,占空比为0%-100%。经过选择器74LS258的1A和1B端口,经A/B端口来选择,在1Y脚输出相应PWM信号。再经过D型触发器74LS75,从Q和/Q分别输出相位角为90度的PWM信号经过IR2104使电机两端电压变化,从而实现了电机的调速,同时也可换向。 3.8 电源设计 本系统设计要求应用电源20V-85VDC之间,峰值电流12A,连续电流6A。根据要求选择稳压管783,由于单片机系统用电源为+5VDC,所以必须有5V直流稳压管,这儿选78L05。电机驱动MOSFET管供电电压为外部电源输入电压,IR2104驱动芯片本系统用到十几付到二十几付。 4 系统抗干扰措施 为提高系统抗干扰性能,需从硬件和软件两方面采取相应抗干扰措施。 1)在单片机系统板的电源输入端并入0.01uF 的低耗电容器进行电源滤波。 2)使用软件对所采集数据进行非线性校正。 5 系统软件设计 5.1 主程序 该系统的整个软件设计全部采用模块化程序设计思想,由系统初始化、按键识别、显示等模块组成。其中,系统初始化、按键识别及显示模块在主程序中完成,而中断服务完成TMR0定时1s溢出中断、TMR1外部计数溢出中断、TMR3的1us计数溢出中断、外部脉冲下降沿捕获中断及A/D转换中断等。整个软件的主程序和中断服务程序框图如图所示 5.2 系统初始化模块 主程序中的系统初始化模块包括对PIC单片机的CPU系统时钟初始化、PIC单片机的I/O方向初始化、TMR0定时/计数器的初始化、TMR1定时/计数器的初始化、TMR3定时/计数器的初始化、CCP模块的初始化和系统相关变量的初始化过程。 5.3 电机运转控制模块 电机运转控制模块包括电机的方向控制和电机的速度控制,它们由MotorDirection和MotorPWMData两个变量来控制PIC单片机的CCP模块产生不同的PWM信号送到74LS258对应引脚,通过74LS75和两个IR2104驱动电机。MotorPWMData是PWM模块占空比的具体内容,改变MotorPWMData的值就可以改变电机的速度。 5.4 LCD显示模块 LCD显示驱动单独做成一个源程序文件和头文件,可方便其他模块调用。在LCD显示驱动模块中主要是LCD初始化函数LCDLNIT()、写指令函数LCDWR()、LCDWRDATA()、显示字符函数LCDDISP()。 5.5 上位机软件 上位机软件用VB编写,主要用来控制电机的转速、换向、启动/停止、定位等功能。还可以实时监控和记录电机的状态,使用户清楚地了解电机和控制器的实时状况。人机界面转速在1-3000RPM可选可写,正反换向选择,启停和0-360度角度定位选写。若选定远程控制,则必须事先设定在该模式下,才可以,我们选择用RB3口作为启动远程控制选择端,低电平有效。 6 测试结果 用24VDC 3000RPM直流有刷电机所测有关数据。上电选择内部电位器模式,接通控制器EN使能端有效。控制器工作,电机随内部电位器的调节,从0逐渐加速,直到最大转速。用转速表测量具体数据如下: 电位器位置:1/3 2/33/3 实测电机转速(RPM):10051997 3002 实测电机A、B端电压:8.30V 16.51V23.98V 实际测量PWM占空比:33%67.4% 99.5% 1/3处LCD显示:RUN 1001 33%CW(CW表正转,CCW表反转) 2/3处LCD显示:RUN 2000 66% CW 3/3处LCD显示:RUN 3003 100% CW 7 结语 设计本系统具有很多优点,适应多种应用场合,既可远程控制又可现场操作,操作简单快捷;既可选外部信号源也可选内部电位器和内部按键,客户选择空间大;既可LCD显示有关数据也可电脑监控让人一目了然。该控制器集成了多种电机控制系统的优点,充分利用了PIC18F4520单片机的内部资源,像AD模块,RB弱上拉功能,多个定时器,多个中断,CCP功能等。巧妙地硬件设计和用单片机程序代替了复杂的硬件设计,还易于修改,这样不仅节约了产品开发成本并且保密性较好。 _ 1 李学海.PIC单片机应用教程(基础篇)M.北京:北京航空航天大学出版社,xx. 2 罗翼,张宏伟.PIC单片机应用系统开发典型实例M.北京:中国电力出版社,xx. 3 马忠梅.单片机的C 语言应用程序设计.北京航空航天大学出版社,1999. 4 李鸿吉.Visual Basic 6.0 中文版编程方法详解.科学出版社,xx. 5 曾志