基于单片机的直流电机驱动系统的设计

2015-02-07长江大学电子信息学院陈永军

电子世界 2015年16期

长江大学电子信息学院刘湃陈永军阮波

基于单片机的直流电机驱动系统的设计

长江大学电子信息学院刘湃陈永军阮波

本文设计了一个基于单片机的直流电机驱动电路系统，电机驱动部分采用H桥方式，该电路用Multisim电路仿真软件进行了理论验证，在实际测试中，最大输出电流可达到1．3A，该电路还具备电机驱动电流可调节的功能，方便匹配使用不同的电机场合；结合单片机的运算和控制功能，该电路系统不仅能完成手动控制电机左右转动或停止，根据由电机带动滑动变阻器产生的反馈电压，该系统还具备电机位置定位的功能，定位有最快速度定位、匀速定位、最精确位置定位、最平稳定位等四种定位方式，最小的定位角度为0．35度；配合单片机外围电路，该电路系统加入了液晶显示、按键输入、蜂鸣器鸣响提示等丰富外设功能，使得该系统界面友好，操作容易；电路板的设计加入了电源防反接、抗电磁串扰、双通道采样电路提高采样精准度等的各种优化措施，使得该电路板稳定可靠，而且美观大方，提高了该电路系统的实用性。

H桥；单片机；电机定位；定位方式

1 电机驱动电路的仿真

在本设计系统中，电路驱动能力的验证是一个非常重要的因素，在仿真验证中，采用National Instrument公司设计的专用电路仿真软件对本设计进行了理论验证，从电源端看过去，电机在运转时为一个负载，其功效相当于一个等效电阻，故在理论验证中，可用等效电阻替代电机作为仿真。对本系统使用的电机进行参数测量，测得电机在空载状态下，电阻为200欧姆，在临界过载处的电阻为31.6欧姆。仿真电路图如图1所示。

图1 电机驱动仿真图

通过对电机空载传动，方向选择，电流调节，过载传动的仿真得出了电机驱动电路设计的正确性和合理性。

2 系统的硬件设计

硬件系统的设计大体可以分为电路稳压设计、电机驱动设计、单片机最小系统及外设设计，A/D采样设计、电机驱动部分与单片机电路部分相互隔离等五大部分。核心则是电机驱动设计。

2.1 核心电路驱动

本设计采用的是博山微电机厂生产的90ZYT型微直流电机，它的最大功率是100W，最大输入电流是0.7A,Mos管H桥电路作为核心电机驱动，Mos管具有栅源极内阻大、源漏极电流可以通过很大的电流等特点，加入PWM控制和电机转动方向控制，如图2所示。

电路中电流调节的原理：在K1、Q7、H桥这个回路中，H桥中流过的电流Ih约等于三极管Q7端基极Ib的电流的ß倍，ß为Q7的固有放大倍数，Ib的值为Q7基极电压除以滑动变阻器R6接入电路的阻值Rv，由于Rv的阻值是可变的，故Ib也是可变的，对应的Ih也是可变的。

电路的工作方式：当K1使能时，若方向选择端为低电平，则Q1截止，Q1集电极为高电平，促使Q5导通，MOTO_P端电压接近0V，同时，Q4端导通，MOTO_N端电压接近电源电压，故电流从Q4端流入，经过电机，流入Q5端，再到地端，形成回路，电机得以向一个方向转动。同理，当方向选择端为高电平，则Q2，Q6导通，Q4，Q5截止，电流从Q2端流入，经过电机，再通过Q6，最后接地，形成另一条回路，电机方向跟方向选择端为低电平时刚好相反，电机得以向相反的方向转动，通过控制电机方向选择端的高低电平达到对电机正反转的控制。

3 系统的软件设计

根据系统功能设计的要求，系统的软件总体框图可为如图3所示。

软件的设计采用模块化的方法，遵循高内聚、低耦合的程序设计原则，先将各个部分模块的功能用相应的文件编写好，然后通过最顶层的函数进行协调处理，已达到系统的预期设计功能。软件设计总体包括主函数模块、系统初始化模块、A/D转换模块、软件延时模块、液晶驱动模块、PWM控制产生模块、蜂鸣器控制模块、电机基准时间模块、电机工作控制模块、按键模块、图形界面处理模块、波动开关模块、指示灯模块、功能模式算法模块、按键解析模块、图形界面模块和顶层综合处理模块等17个部分。