减速直流电机角度控制器

1、tr Ax亀 V / GUILIN UNIVERSITY OF ELECTRONIC IECHNCLOGY设计综合性实验报告课程名称：减速直流电机角度控制院（系）:电子工程与自动化学院专业：-动化学生学号：02学生姓名：伍仲明指导教师：李平 赵学军 龙超2011年 9月18日摘要在工业生产过程中，减速直流电机角度控制器能实现控制生产流程、控制器械精度 并可实现精确的检测与调度工作。同时它也有简单易操作、界面友好快捷的特点，对于 工业生产也起到了提高生产效率的作用。本论文介绍了基于STC12系列的单片机的减速直流电机角度控制器的设计，电动机角度控制可以应用于很多自动化设备的控制，它是以STC12

2、C5A60S作为主要控制芯片，采用4个功率N型MOS管构成H桥对减速直流电动机进行正反转控制，采用电位器与 电动机的同轴连接对电动机的转角进行测量与控制。 关键词：自动化控制技术；单片机；减速直流电动机；同轴连接；测量与控制AbstractIn the industrial production process, the slow realization of DC motor controller can control the angle of the production process, control equipment and to achieve accurate detecti

3、on accuracy and scheduling work. It also has a simple and easy to operate, user friendly and fast characteristics, for the industrial production also played a role in improving production efficiency.This paper describes the series of microcontrollers based on the deceleration STC12 DC motor controll

4、er design point of view, the motor angle control can be used in a lot of automated equipment control, it is STC12C5A60S2 as the main control chip, using four power N-type MOS tube form H Bridge on the reversing gear DC motor control, using potentiometer and motor angle coaxial connector on the motor

5、 to measure and control.Key words: Automation and control technology; SCM;DC motor deceleration;Coaxialconnectors ; Measurement and Control引言错误!未定义书签2 硬件电路原理及设计错误!未定义书签主控系统的设计错.误! 未定义书签单片机STC12C5A32S2介绍错误!未定义书签。主控系统各部分电路设置 错 误 !未定义书签。下载电路与通信电路介绍 错 误 !未定义书签。电机 H 桥驱动电路的设计错. 误! 未定义书签驱动电路 H 桥的组成错误!未定义书签

6、。集成电路 IR2111 应用介绍错误!未定义书签。直流电机 PWM 控制原理减速直流电机的简介电机转动角度检测 .单圈电位器介绍 错 误 !未定义书签。.错. 误! 未定义书签。.错. 误! 未定义书签。. 错 误 !未定义书签。3 程序设计错误!未定义书签电机控制信号的产生错. 误! 未定义书签利用定时器 0 产生 PWM 信号错误!未定义书签。A/D 数据采集程序设定错. 误! 未定义书签串口通信程序设计错. 误! 未定义书签4 系统调试错误!未定义书签静态调试 错. 误! 未定义书签动态调试 错. 误! 未定义书签6 结论错误!未定义书签谢 辞 错误! 未定义书签参考文献 错误! 未定

7、义书签附 录 错误! 未定义书签引言控制技术是在是在上世纪20年代建立了以频域法为主的经典控制理论后发展起来 的，控制技术首先在工业生产中得到了广泛的应用。 在空间技术发展的推动下，50年代 又出现了以状态空间法的现代控制理论，使控制技术得到了广泛的发展，产生了更多的 应用领域。60年代以来，随着计算机技术的发展，控制技术走向了自动化的方向。随着 计算机技术的日渐成熟，自动化控制技术与计算机的结合已经成为必然。用计算机控制 所有机械的运行才能减少劳动力的浪费。本文介绍的减速直流电机角度控制器主要控制核心为STC12系列的单片机，并搭配用功率MOS管组建成的H桥驱动电机正反转。将减速直流电机的输

8、出轴与单圈电位器 的轴连接好，利用电位器可以进行角度测量，设计H桥功率驱动电路，采用PWM驱动电动机正反转，设计控制器实现 0180度角度控制，控制精度±1度，通过键盘进行角 度设置，实际角度可以实时显示。2硬件电路原理及设计减速直流电机角度控制器主要是以单片机为核心，结合H桥驱动电路、电压检测来完成所需功能。总体系统框图如图 2-1所示：图2-1系统总框图主控系统的设计在智能化仪器仪表中，控制核心均为微处理器，而单片机以高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用，是设计智能化仪器仪表的首选微控制器，单 片机结合简单的接口电路即可构成单片机最小系统，它是智能化仪器仪表的

9、基础，也是 测控、监控的重要组成部分。在单片机性能与设计需求的综合考虑下，本设计选择了 STC12C5A32S鲜片机作为主控芯片，主控系统还包括了由晶振组成的外部振荡电路和 开关复位电路的设计，四个测试用的按键、四个指示与测试用发光二极管和一个七段四位共阴数码管。主控系统如图2-2。J4VCCP1 0P1 1P1 2P1 3P1 4P1 5P1 6LS1ZHENG-FANVCCGNDJ5A/D-INVCCD1LEDR1P34VCCTD2R2R 300P1 78XIAL120VCCP35ORST 9P3010P31P3 313P3414P3 515P3 717XTAL2 18P10VCCP11P

10、00P12P01P13P02.P14P03P15P04P16P05,P17P06RSTP07.P30/RXDEAP31/TXDALE.P32/INTLPSENP33/INTLP27.P34/T0P26P35/T1P25P36/WRP24.P37/RDP23XTAL2P22，XTAL1P21GNDP20STC12C5A60S2乞C3AJC 10UFVCC40J3P00P01VCCTD3卄LEDR3P36RSTR 300VCCTD4卄LEDR4P37R 300图2-2R6R 10KGND39 ”P0038P013/-P023610335P0434P053332P07311234567893029-

11、2S-VCCP2727P2626P2525P2424P2323P2222P2 121P20P02CDP04EP051P06GP07HP2/S4P26S3P25S2P24S1RMt7kBCDEF GHS4S3S2S1P10P11C1P12主控系统电路图LED 4K1AJK2AJGND30PF T2 I22.118 4MHZC2XTAL2XTAL1C 30PFP13K3K4AJGND2.1.1 单片机 STC12C5A32S介绍STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高 速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051单片机，指令代码完全兼容传统 8051,但

12、速度快 8-12倍。内部集成 MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S, 即25万次/秒）,针对电机控制，强干扰场合。另外还有以下特点：1. 增强型8051CPU，1T,单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统 8051 o2. 工作电压：。3. 工作频率范围：035MHz,相当于普通8051的0420MHz。4. 用户应用程序空间 8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节等。5. 片上集成1280字节RAM。6. 通用I/O 口（ 36/40/44个），复位后为：准双向口 /弱上拉（普通8051传统I/O 口）可设置成四种模式

13、：准双向口 /弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每 个I/O 口驱动能力均可达到20mA,但整个芯片最大不要超过120mA。（在系统可编程）/IAP （在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可 通过串口（）直接下载用户程序,数秒即可完成一片。8. 有 EEPROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWMC内部 EEPROM。9. 独立看门狗功能。10. 内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻图2-3 STC12C5A60S2单片机引脚图2.1.2主控系统各部分电路设置振荡电路用于产生外部时钟和复位电路用于单片机系统的复位， 两者是

14、单片机系统 最常用的应用，读者可查阅相关应用书籍和资料，本文就不做累述。系统中的四位共阴数码管用于电机转动度数的显示与设置， 当用STC12系列单片机 P0 口驱动数码管时，需要像8051单片机一样，需加上1K到10K的上拉电阻来加强P0 口的驱动能力。主控系统中的四个按键用于独立控制电机和做测试用；四个发光二极管用于测试， 同时也可起到指示的作用。口与口用于发送驱动电机正反转的信号；口作为 A/D 数据采集口。2.1.3下载电路与通信电路介绍STC12系列的单片机与其他 STC系列单片机一样，只需要用过串口线与电脑连接,再借助 RS232芯片的转换，最终连到单片机上（RXD）口与（TXD）口

15、 ,即可通过电脑端的 STC-ISP软件控制下载"用户程序"到STC单片机上了。用户可自行选择使用 T1，R1或是 T2，R2,均能正常下载。C1+116VccV+215GNOC1-314TIolttC2+4MAX22013R1inIMAX232C2-MAX232A12V-611T1|nT2qut T_JO T2|NR2inBV| R2qut图2-4 MAX232芯片管脚图MAX232外围需要4个电解电容C1、C2、C3 C4是内部电源转换所需电容。其取 值均为1卩F/25V。宜选用钽电容并且应尽量靠近芯片。C5为卩F的去耦电容。MAX232的引脚T1IN、T2IN、R10

16、UT R20UT为接TTL/ CMOS电平的引脚。引脚 T1OUT T2OUT R1IN、R2IN 为接 RS-232C电平的引脚。因此 TTL/CMOS电平的 T1IN、 T2IN引脚应接MCS-51的串行发送引脚 TXD; R1OUT R2OUT应接MCS-51的串行接收 引脚RXD 与之对应的 RS-232Ct平的T1OUT T2OUT应接PC机的接收端 RD; R1IN R2IN应接PC机的发送端TXDbMAX232的用法如下：1. 在C1+和C1-两端、C2+和C2两端、V+和地两端、V-和地两端分别接一个卩f(105) 电容。2. 可以将两路RS-232C电平转换成两路TTL电平。

17、分别从R1IN和R2IN输入，对应 从T1OUT和T2OUT输出。注意，输入和输出的逻辑值保持一致，如输入-5V,即逻辑1, 输出也是逻辑1 , TTL电平为高电平，即左右。3. 可以将两路TTL电平转换成两路RS-232C电平，分别从T1IN和T2IN输入，对应 从R1OUT和 R2OUT输出。同样输入和输出的逻辑值保持一致图2-5标准RS-232 “ D”型插头本文系统的下载电路如图2-6所示。VCCC42C 104345C8C 1041C5C6GND |C 104C 1046C1 +VCC V+GND C1-T1OUT C2 +R1 IN C2-R1OUTV-T1IN T2OUTT2IN

18、R2INR2OUTMAX2 3216157108914IGND1312P3011P31U3VCCC7C 104162738495rGND=0J6O OODB9图2-6 STC系列单片机下载电路本文设计的系统通信电路主要通过总线驱动芯片MAX485来完成，该电路不仅能用于单片机与计算机的通信，而且能用于单片机与单片机的通信。MAX485芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片。MAX485采用平衡发送和差分接 收方式来实现通信：在发送端 TXD将串行口的TTL电平信号转换成差分信号 A、B两路 输出，经传输后在接收端将差分信号还原成 TTL电平信号。两条传输线通常使用双绞线， 又是差分传输，因

19、此有极强的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。同时，最大传 输速率和最大传输距离也大大提高。如果以10Kbps速率传输数据时传输距离可达12m， 而用100Kbps时传输距离可达1.2km。如果降低波特率，传输距离还可进一步提高。另 外RS-485实现了多点互连，最多可达 256台驱动器和256台接收器，非常便于多器件 的连接。可实现半双工通信。图 2-7为MAX485的引脚配置图。图2-7 MAX485引脚配置图DtDL当要实现计算机与单片机的通信时，一般计算机上需要接上RS-485接口卡，然后再用传输线连接到单片机系统上的 MAX485芯片上，最终再与单片机相连。亠BidVPC机WRS-

20、485 接口卡rMAX485单片机图2-8单片机与PC机串行通信原理图图电机H桥驱动电路的设计本文设计的H桥驱动电路是用四个N型功率场效应管IRF540来搭建，并配以两个 功率场效应管半桥驱动芯片IR2111作为外围驱动电路。图2-11电机H桥驱动电路图2.2.1驱动电路H桥的组成H桥驱动电路是典型的控制电机正反转的电路，该电路可以用三极管或P和N型功率场效应管（简称MOS管）来搭建均可。相对于普通三极管,MOS管由于结构和原理的不同，导通电阻远比普通三极管低，允许流过更大的电流。而且MOS管都内置有反向二 极管来保护管子本身。所以采用MOS管连接H桥不但效率可以提高，电路也可以简化 所以本文

21、作者选用了四个 N型MOS管IRF540来组成基本的H桥驱动电路。由图2-11可知，要使直流电机运转，必须导通对角线的一对 MOS管。根据不同MOS 管对的导通情况，可以得出正转、反转和停止三种电机状态。当Q1与Q4导通，Q2与Q3截止时，图中的直流电机上的电流从左流向右，此时电机正转；当Q2与Q3导通，Q1与Q4截止时，图中的直流电机上的电流从右流向左，此时电机反转；当Q1、Q2、Q3和Q4四个MOS管同时截止时，电机上无电流通过，电机停止运转。表2-1电机运行状态表Q1Q2Q3Q4电机运行状态导通截止截止导通正转截止导通导通截止反转截止截止截止截止停止如今市面上已有很多封装好的H桥集成电路

22、，相对于用分立元件制作的H桥要简易 很多，只要接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的 L293D L298N、TA7257P和SN754410等。2.2.2集成电路IR2111应用介绍IR211I是功率MOSFETffi IGBT专用栅极驱动集成电路，可用来驱动工作在母线电压 高达600V的电路中的N沟道功率MOS器件。采用一片IR 2111可完成两个功率元件的 驱动任务，其内部采用自举技术，使得功率元件的驱动电路仅需一个输入级直流电源； 可实现对功率MOSFETffi IGBT的最优驱动，还具有完善的保护功能。IR2111典型应用 电路如图2-

23、13所示。up to 600VLOAD图2-13 IR2111典型应用电路图中上管是指接到高电压端的 N沟道MOSFET或IGBT注意应外接或内置保护、续 流二极管，下管是指接到低电压端的 MOSFET IGBTVcc是给IR21II供电的电源，以15V为最佳。Vcc降低至10V，IR2111也能工作，但 会增加MOSFET IGBT的开关损耗。IN是控制信号的输入端，输入等效电阻很高，可直接连接来自微处理器、光耦或其 它控制电路发出的信号。逻辑输人信号与 CMOS电平兼容，在Vcc是15V时，O6V的 电压为逻辑0;15V的电压为逻辑1。输入端电压为逻辑1时，IR2111输出端H0输出 高电

24、平，驱动上管；输出端L0输出低电平，关闭下管。输入端电压为逻辑0时,情况正好相反。IR2111内部设置了 650ns的死区时间(Deadtime)，可防止上下管直接导通造成 短路事故。COM是接地端，直接和下管 MOSFET的源极S或IGBT的发射极E相连。HO、LO分别是上、下管控制逻辑输出端，逻辑正时输出典型电流为250mA，逻辑负 时输出典型电流为500mA，输出延迟时间不会超过130ns。Vb是为高压侧悬浮电源端，Vs是高压侧悬浮地，它们的电位随上管的导通截止而 变化，变化幅度可高大近600V。上、下管电容里存储的电荷，用来快速导通上、下功率管，一般使用以上的非电解 电容。上管电容的充

25、电是在下管导通或负载有电流通过时自行完成的，也称为自举电容。充电回路是Vcb上管电容充电二极管上管电容下管或负载 COM。控制信号长时 间的为逻辑1,会导致上管电容的电荷用尽而截止上管，因而控制信号的占空比不能为 100%。上管电容充电二极管用来防止上管导通时，高压电窜入Vcc端损坏低压器件，也称自举二极管。在高端器件开通时，自举二极管必须能够阻止高压，并且应是快恢复二极 管.以减小从自举电容向电源 Vcc的回馈电荷。其反向耐压应大于功率端电压，恢复时 间应小于100 ns。上、下管保护电阻的作用，是通过其延缓功率管极间电容的冲、放电速度，从而降 低不必要的高开关速度，起到保护功率管的作用，一

26、般阻值在几个到几十个欧姆。同时本文作者在这里还要说明一下 IR2111 在使用中可能出现的问题： （1）该电路在静态测试时，如果没有接负载，控制信号的输入端为逻辑1 时，上管控制逻辑输出端 HO 的高电位只能维持很短的时间。若输入占空比变化的脉宽调制信 号，就可以观察到H0的电位随占空比而变化，这是上管充电的缘故，LO端就不会有这 个问题。（2）Vs的负过冲。当桥电路负载为感性时，上管的关断会引起负载电流突然转换 到下管的续流二极管，由于二极管开通延迟，正向压降和杂散电感会使Vs点负过冲到参考地以下。在死区时间内，如果负载电路不能完全恢复，当下管器件硬开通时，会发 生Vs负过冲或振荡。IR21

27、II的Vs至少有抗5V的负过冲能力，一般不会有问题，负过冲 水平超过该值。可采用IR公司推荐的几种方法：减小杂质参数、杂散电感、改善耦合、 减小 dv/dt 等。2.2.3直流电机 PWM 控制原理由上文可知，两片IR2111芯片的控制信号输入端IN和IN如果只是单纯的输入一个 为逻辑 0 而另一个为逻辑 1 的静态逻辑信号时，电机只能抖动一下，无法正常运作。所 以我们得运用到脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation-简称PWM）信号。PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断， 把直流电压变成电压脉冲列， 控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的， 或控制电压脉冲的宽度

28、和周期以达到变压 变频目的的一种控制技术。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微 控制器和DSP已经在芯片上包含了 PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。减速直流电机的简介减速直流电机是指减速机和直流电机的集成体。 这种集成体通常也可称为齿轮马达 或齿轮电机。通常由专业的减速机生产厂进行集成组装好后成套供货。减速电机广泛应 用于钢铁行业、机械行业等。使用减速电机的优点是简化设计、节省空间。而减速电机 还有下列特点：1、减速电机结合国际技术要求制造 ,具有很高的科技含量。2、节省空间，可靠耐用，承受过载能力高，功率可达95KW以上。3、能耗低 ,性能优

29、越 ,减速机效率高达 95%以上。4、振动小 ,噪音低,节能高,选用优质段钢材料 ,钢性铸铁箱体 ,齿轮表面经过高频热处5、经过精密加工,确保定位精度，这一切构成了齿轮传动总成的齿轮减速电机配置了 各类电机，形成了机电一体化，完全保证了产品使用质量特征。6、产品才用了系列化、模块化的设计思想，有广泛的适应性，本系列产品有极其多的 电机组合、安装位置和结构方案，可按实际需要选择任意转速和各种结构形式。减速直流电机实物图如图，直流电机前端接的即为减速机。图2-15减速直流电机实物图电机转动角度检测对于电机角度检测本文作者采用了减速直流电机转轴与单圈电位器旋钮轴同轴连 接的方法来实现，即电机的转轴通

30、过同轴连接可以带动电位器旋钮轴，而单圈电位器的 两端引脚分别接电源与地，电位器中间教接入到STC单片机口作为A/D采样样本。这样 就可以通过口的电压变化检测出电机的转动角度了。2.4.1单圈电位器介绍用于分压的可变电阻器。在裸露的电阻体上，紧压着一至两个可移金属触点。触点 位置确定电阻体任一端与触点间的阻值。主要参数为阻值、容差、额定功率。广泛用 于电子设备，在音响和接收机中作音量控制用。电位器是一种可调的电子元件。它是由 一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。单圈电位器即是转动度数大约为300度的电位器，一般运用于音频功放电路中图2-16单圈电位器实物图3程序设计A/D数据采减速直流电机角度控

31、制器的程序主要包括三部分：直流电机控制程序, 集程序和串口通信程序。图为系统总程序流程图。图3-1系统程序流程图电机控制信号的产生根据驱动电路要求，控制电机正反转的信号必须为脉冲宽度调制（ PWM）信号，本 文作者利用了 STC12系列单片机的定时器0来产生固定占空比的PWM信号。下面介绍 一下单片机的定时器特点与定时器设定程序。STC12C5A60S系列单片机内部设置的两个16位定时器/计数器T0和T1都具有计数 方式和定时方式两种工作方式。对每个定时器 /计数器（T0和T1），在特殊功能寄存器 TMOD中都有一控制位一C/T来选择T0或T1为定时器还是计数器。定时器/计数器的核心部件是一个

32、加法（也有减法）的计数器，其本质是对脉冲进行计数。只是计数脉冲来 源不同：如果计数脉冲来自系统时钟，贝U为定时方式，此时定时器/计数器每12个时钟或者每1个时钟得到一个计数脉冲，计数值加1;如果计数脉冲来自单片机外部引脚（T0 为,T1为，则为计数方式，每来一个脉冲加 1。当定时器/计数器工作在定时模式时，特殊功能寄存器AUXR中的T0x12和T1x12分ADC CONTR Register别决定是系统时钟一 SPEEDO器工作在计数模式时，对外部脉冲计数不分频数。ADC POUTtR SPEED IADC2/PL2 ©10-bitDAC定时器/计数器I ；'、匚疋m很开关 CHS2/CHS1/CHS0ADC PL,ADC'1/Pl 4本系统用到了定时器void mai n(void)ADCOuPl 0/计数器模式），模式 器1除模式3A/D转换结果寄存器: 时器 ADC_ RE豊Abe定时器 /计数进行计数。当定时器 /计数ADC FLAG ADC START I CHS2 CHS! CHSO邊汰比戦 寄存器时无效，停止计3.1.13.212C5AA12C5A12C5A12C5A1M1M串口通信程序设计STC12C