直流电机转速控制方案

1、直流电机控制系统 SPCE061A 应用方案 版权声明凌阳科技股份有限公司保留对此文件修改之权利且不另行通知。凌阳科技股份有限公司所提供之信息相信为正确且可靠之信息, 但并不保证本文件中绝无错误。请于向凌阳科技股份有限公司提出订单前, 自行确定所使用之相关技术文件及规格为最新之版本。若因贵公司使用本公司之文件或产品, 而涉及第三人之专利或著作权等智能财产权之应用及配合时, 则应由贵公司负责取得同意及授权, 本公司仅单纯贩售产品, 上述关于同意及授权, 非属本公司应为保证之责任. 又未经凌阳科技股份有限公司之正式书面许可, 本公司之所有产品不得使用于医疗器材, 维持生命系统及飞航等相关设备。目

2、录1引言 (22设计要求 (33模块特性简介 (44系统总体方案介绍 (95系统硬件设计 (106系统软件设计 (157连接与操作说明 (238参考文献 (24 SPCE061A在直流电机控制系统中的应用凌阳科技教育推广中心摘要:本方案分析了单片机对直流电机进行速度测量的原理,以及利用PID算法实现直流电机PWM 调速的方法。以SPCE061A单片机为控制核心,实现了对普通直流电机的转速测量和转速调节,为进一步研究和优化直流电机控制方法提供了基础。关键词:单片机 SPCE061A 直流电机测速调速 PID 1引言在电气时代的今天,电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。直流电机是

3、最常见的一种电机,在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法,对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。本方案以SPCE061A单片机为控制核心,实现对普通直流电机的转速测量和转速调节,为进一步研究和优化直流电机控制方法提供基础。 2设计要求利用61板以及电机控制模组实现直流电机速度测量和调节。要求系统具有下列功能:1. 可通过61板上的3个按键设定电机的转动方向、转速;2. 可实时测量电机的实际转速,并在LED数码管上显示出来;3. 可对电机进行PID转速调节,使其转速趋近于设定值。方案具有一定可扩展性,例如优化速度调节算法,提高转速稳定度和响应速度,增加语音播报转速功能

4、,或将测得的转速上传至PC处理等。 3模块特性简介本系统采用SPCE061A单片机作为主控制器,采用61板配备的3个按键作为输入部分,直流电机及其驱动电路采用凌阳大学计划的“电机控制模组”。下面分别介绍这些模块的特性。3.1SPCE061A芯片特性SPCE061A是凌阳科技研发生产的性价比很高的一款十六位单片机,具有易学易用、效率较高的一套指令系统和集成开发环境。在此环境中,支持标准C语言,可以实现C语言与凌阳汇编语言的互相调用,并且,提供了语音录放和语音识别的库函数,只要了解库函数的使用,就会很容易完成语音录放,这些都为软件开发提供了方便的条件:SPCE061A片内还集成了一个ICE(在线仿

5、真电路接口,使得对该芯片的编程、仿真都变得非常方便,而ICE接口不占用芯片上的硬件资源,结合凌阳科技提供的集成开发环境(unSP IDE,用户可以利用它对芯片进行真实的仿真;而程序的下载(烧写也是通过该接口实现。下图为SPCE061A单片机的内部结构框图: VXO图 3-1 SPCE061A内部结构图16位nSP微处理器; 工作电压:内核工作电压VDD为3.03.6V(CPU,IO口工作电压VDDH为VDD5.5V(I/O;CPU时钟:0.32MHz49.152MHz;内置2K字SRAM;内置32K闪存ROM;可编程音频处理;晶体振荡器;系统处于备用状态下(时钟处于停止状态,耗电小于2A3.6

6、V;2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值;2个10位DAC(数-模转换输出通道;32位通用可编程输入/输出端口;14个中断源可来自定时器A / B,时基,2个外部时钟源输入,键唤醒;具备触键唤醒的功能;使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒,能容纳210秒的语音数据;锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号;32768Hz实时时钟;7通道10位电压模-数转换器(ADC和单通道声音模-数转换器;声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC功能;具备串行设备接口;低电压复位(LVR功和低电压监测(LVD功能;内置在线仿真(ICE,In- Circuit

7、Emulator接口。3.2SPCE061A精简开发板SPCE061A精简开发板(简称61板,是以凌阳16位单片机SPCE061A为核心的精简开发-仿真-实验板,大小相当于一张扑克牌,是“凌阳科技大学计划”专为大学生、电子爱好者等进行电子实习、课程设计、毕业设计、电子制作及电子竞赛所设计的,也可作为单片机项目初期研发使用。61板除了具备单片机最小系统电路外,还包括有电源电路、音频电路(含MIC输入部分和DAC音频输出部分、复位电路等,采用电池供电,方便学生随身携带!使学生在掌握软件的同时,熟悉单片机硬件的设计制作,锻炼学生的动手能力,也为单片机学习者和开发者创造了一个良好的学习条件和开发新产品

8、的机会! 61板上有调试器接口(Probe接口以及下载线(EZ_Probe接口,分别可接凌阳科技的在线调试器、简易下载线,配合unSP IDE,可方便地在板上实现程序的下载、在线仿真调试。61板上的主要功能模块如下:SPCE061A单片机最小系统外围电路模块;电源输入模块;音频电路(包含MIC输入、DAC音频功放输出模块;按键模块;I/O端口接口模块;调试、下载接口模块;下图为61板的实物图: 图 3-2 61板实物图3.3电机控制模组SPGT62C19B电机控制模组是为学生以及单片机爱好者学习步进电机和直流电机控制而设计的学习套件。模组采用凌阳SPGT62C19B电机驱动芯片,配置两相步进电

9、机和直流电机各一台,并提供4位LED数码管用来显示电机转速等信息。模组针对SPCE061A单片机设计,可以方便地用排线与SPCE061A精简开发板(即“61板”连接,可作为单片机教学、产品开发前期验证等辅助工具使用。模组的平面图如图 3-3所示: 图 3-3 电机控制模组结构图 上述结构图中各部分说明如下: 电机控制接口:模组与单片机的接口,为10PIN排针,可以直接与“61板”连接,实现电机控制。数码管控制接口:模组与单片机的接口,为两组10PIN排针,可以直接与“61板”连接,实现对4 位LED数码管的控制。SPGT62C19B:电机驱动芯片,可驱动一台双极性两相步进电机,或者两台直流电机

10、。外接电源指示灯: SPGT62C19B电机驱动芯片的逻辑控制电源与电机驱动电源是各自独立供电的,可以外接5V12V的电机驱动电源。当接通了电机驱动电源时,外接电源指示灯会点亮。外接电源插座:为SPGT62C19B提供电机驱动电源的插座。共有两组电源插座,分别为2PIN针座(可接61板电池盒或其他直流电源和DC稳压电源插座(可接直流稳压电源。使用时可选择其中一组插座作为电机驱动电源输入端。 输出选择跳线:该组跳线用来选择SPGT62C19B芯片控制的电机。模组提供了步进电机和直流电机各一台,可通过对输出选择跳线的设定来切换当前工作的电机类型。步进电机接口:该接口为4PIN插针形式,用于连接SP

11、GT62C19B驱动芯片和两相步进电机。步进电机:35BYJ26型号永磁式步进减速电机,工作方式为两相四拍。在步进电机面板上安装有刻度盘,以便于在实验中观察电机的转动状态。直流电机接口:由于SPGT62C19B可同时驱动两台直流电机,因此留出了两组直流电机接口,在模组上分别标示为J11和J12。可以将模组提供的直流电机接在其中一组接口上。直流电机:电机型号为310CA,工作电压3V12V,在5V电压下空载转速约4000转/分。光栅转盘和红外对管:在直流电机的转轴上安置了光栅转盘,光栅转盘的两侧分别装有鼠标用红外发射和接收管。当直流电机转动时,光栅将不断改变红外对管的通断状态,从而实现对直流电机

12、转速的测量。ULN2003A:ULN2003A是单片式7路达林顿三极管阵列,在本模组中用来驱动4位LED数码管。4位数码管:4位8段共阳极LED数码管,可用作电机转速显示,也可用于显示其他内容。 在本方案中,用到模组的直流电机和LED数码管等模块。 4系统总体方案介绍本系统由一块SPCE061A精简开发板(61板和一块电机控制模组构成,系统的硬件结构框图如图 4-1所示。 图 4-1 系统硬件结构图SPCE061A单片机作为主控芯片,通过I/O端口来控制SPGT62C19B电机驱动芯片,从而实现对直流电机的控制。电机模组上的光栅转盘和红外对管将直流电机的转动信息反馈给单片机,单片机针对测得的

13、实际转速来调节SPGT62C19B的控制状态,从而使转速趋近预设置。同时,电机转速可由4位数码管显示出来。61板的三个按键用来对直流电机的转动方向和转速等进行设定。 5系统硬件设计SPCE061A最小系统包括SPCE061A芯片及其外围基本模块,外围基本模块有:晶振输入模块(OSC、锁相环外围电路(PLL、复位电路(RESET、指示灯(LED等,如下图所示。 图 5-1 SPCE061A最小系统本系统,有关SPCE061A单片机最小系统的各个模块都做在61板中,读者可以查阅61板的电路原理图。SPCE061A的内核供电为3.3V,而I/O端口可接3.3V也可以接5V,所以在电源模块(61板上中

14、有一个端口电平选择跳线,如图中的J5,下图为61板上的电源模块图。 J5CON3123V5VDDH3VDDH图 5-2 电源模块1×3按键61板上自带1×3按键,可作为输入部件使用。三个按键为高电平有效,分别与单片机的IOA0IOA3连接。如图 5-3所示。 图 5-3 1×3按键SPGT62C19B 是低电压单片式步进电机驱动器集成电路芯片,可驱动一台两相步进电机,或者两台直流电机。它带有双路H 桥,可分别驱动两个独立的PNP 功率管。每一个H 桥都有各自独立的使能引脚,因此非常适合于需要独立控制的步进电机驱动系统。SPGT62C19B 输出电压可达40V ,输

15、出电流可达750mA ,由输入的逻辑电平来决定输出脉冲的宽度及频率,所以由这款芯片组成的电机驱动系统将脉冲发生器、脉冲分配器、脉冲放大器合为一体,省去了很多外围器件。SPGT62C19的内部由两组完全相同的控制电路组成了两路输出通道。其中一路通道的控制电路原理如图 5-4所示。输入控制信号经前级缓冲后送入片内控制器,然后由控制部分进行处理并驱动晶体管,最后由OUT 端口输出驱动信号以控制电机的运行。 图 5-4 SPGT62C19B工作原理SPGT62C19B的控制脚有如下6个:表 5-1 SPGT62C19B的控制引脚引脚名称用途20 I01 通道1的电流大小控制17 I11 通道1的电流大

16、小控制16 PHASE1 通道1的电流方向控制8 I02 通道2的电流大小控制9 I12 通道2的电流大小控制10 PHASE2 通道2的电流方向控制以通道1为例,控制口I01与I11的不同逻辑组合可使通道1输出端产生不同大小的电流输出:表 5-2 控制脚I01与I11逻辑组合与输出电流的关系I01逻辑值 I11逻辑值输出电流0 0 Imax2/3*Imax1 01/3*Imax0 11 1 0上表中,Imax是输出电流的上限值,它与图 5-4中Vref和Rs的值有关。其关系式为:Imax = Vref /10*Rs:PHASE1的逻辑电平值决定了该通道的电流输出方向。PHASE1与电流方向的

17、对应关系为:表 5-3 控制脚PHASE1与输出电流的关系PHASE1逻辑值输出电流方向0 OUT1B -> OUT1A1 OUT1A -> OUT1BSPGT62C19B的两个输出通道可以分别控制一台直流电机。仍以通道1为例,只需设定PHASE1的逻辑电平,即可实现电机的正反转控制。而电机调速可以通过不断改变I01和I11的高低电平状态,使输出通道产生PWM波形信号,从而利用PWM的占空比来调节电机转速。 I01I11PHASE1?Imax,A->BImax,B->A图 5-5 输出PWM 控制直流电机转速测量采用一组鼠标用的红外对管实现。其电路原理如图 5-6所示。

18、 图 5-6 转速测量电路数码管显示电路模组提供了4位共阴极LED 数码管,数码管采用ULN2003A 为其提供驱动电流。ULN2003A 是7路达林顿三极管阵列,这里用到了其中的4路,分别连接到数码管的4个位选脚G1G4,如下图所示。 B D U3ULN2003A 123456789COMOUT7OUT6OUT5OUT4OUT3OUT2OUT1A DIG3CE DIG1G GNDDIG2F HDIG4U2WD03641AX111279421105836a b c d e f g G1G2dpG3G4图 5-7 数码管显示电路选取单片机的8位I/O 作为数码管的“段控制”口,连接到数码管的AH

19、 这8个段控制脚;再用4位I/O 作为数码管的“位控制”口,连接到驱动芯片ULN2003A 的DIG1DIG4,即可实现数码管显示控制。数码管的各段、位与控制引脚的对应关系如下图所示。 图 5-8 数码管段、位与控制端口的对应关系 6系统软件设计6.1软件架构本方案的软件系统主要包含下列模块:主控程序:主控程序负责控制整个系统的工作流程,判断按键值、控制数码管显示,以及控制电机转动等。上述功能模块组成了两层单向调用结构,各模块之间的调用关系如下图所示: 图 6-1 各模块间的调用关系6.2各模块程序说明按键扫描是在TMB_128Hz中断服务程序中进行的,其程序流程如下: 图 6-2 按键扫描程

20、序流程获取键值时,只需调用Key_Get(函数即可,该函数的程序流程如图 6-3所示。 图 6-3 键值获取程序流程LED数码管采用逐位动态显示方式,利用4KHz时基中断进行逐位扫描,使每个数码管的显示亮度均匀且感觉不到闪烁。LED数码管的显示流程如图 6-4。 图 6-4 LED数码管显示流程需要改变数码管显示内容时,只需向各数码管对应的缓冲区写入相应的编码即可。 图 6-5 利用4KHz时基生成PWM电机测速工作也是利用4KHz时基中断完成的。当光栅转盘的挖空部分经过红外对管时,与之连接的单片机I/O口将输入低电平;而光栅转盘阻隔红外对管时,该I/O口将输入低电平。以4KHz为采样频率,检测该I/O端口的电平状态并计数,即可通过一段时间内的计数值计算出电机转速。 图 6-6 利用4KHz时基实现电机测速 利用PID 算法实现调速在直流电机调速系统中,数字PID 是一种比较成熟的算法。数字PID 算法的大致原理是,将设定速度与实际速度之间的偏差记为e ,利用e 的比例、积分和微分通过线性组合构成的控制量U 去控制对象。数字PID 算法的表达式如下:(01k