多功能电机驱动系统的设计研究_大学生课外学术科技作品(编辑修改稿)

多功能电机驱动系统的设计研究_大学生课外学术科技作品(编辑修改稿)内容摘要：

，这样可以提高控制系统的工作效率以及精确度。 其中，甲机用于 监控电源电压是否出现欠电压过电压过电流。 乙机用于实现对电机的 PID控制，即 控制器产生 PWM 脉冲送到电机驱动电路中，经过放大后控制电机转速，同时利用速度检测模块将当前转速反馈到控制器中，控制器经过数字 PID 运算后改变 PWM 脉冲的占空比，实现电机转速实时控制的目的。 同时 乙机控制 1286 4LCD液晶显示器，显示出当前转速。 电机驱动电路 驱动模块是控制器与执行器之间的桥梁，在本系统中单片机的I/O口不能直接驱动电机，只有引入电机驱动模块才能保证电机按照控制要求运行，在这里选用 M57957L电机驱动芯片驱动电机 ， M57957L内部集成有可在输入与输出之间实现良好电气隔离的光电隔离器，所以可对被驱动的 IGBT 模块实现可靠的驱动。 M57957L可用来直接驱动 Vces=600V 系列的电流容量在 200A 以内的 IGBT 模块及Vces=1200V 系列的电流容量在 100A 以内的 IGBT 模块；而 M57958L可用来直接驱采用双电源驱动技 术，输入信号与 TTL 电平兼容，且采用单列直插式厚膜集成电路封装。 第十一届“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛 12 M57957L 的结构 M57957L采用单列直插式标准 8脚厚膜集成电路封装。 其外形和引脚排列如图 5所示，各引脚的名称、功能及用法可参见表 1所列。 图 5 M57957L 的引脚排列示图 表 1 M57957L 引脚说明 引 脚号 符号 名称或功能 用法 1 VIN－ 驱动脉冲输入负端 使用中通过一反相器接用户脉冲形成电路的输出 2 VIN＋ 驱动脉冲输入正端 使用中通过一电阻接用户脉冲形成部分电源 5 GND 驱动脉冲输出地端 接驱动脉冲输出级电源地端，该端电位应与用户脉冲形成部分完全隔离 6 VCC 驱动功放级正电源端 接用户提供的驱动脉冲功放级正电源端 7 Vout 驱动脉冲输出端 直接接被驱动 IGBT 栅极 8 VEE 驱动功放级负电源端 接用户提供的驱动脉冲功放级负电源端 第十一届“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛 13 M57957L 的工作原 理 M57957L内部结构如图 6所示，来自脉冲形成单元的驱动信号为高电平时光耦导通，接口电路把该信号整形后由功放级的两级达林顿 NPN 晶体管放大后输出，驱动功率 IGBT 模块导通。 在驱动信号为低电平时光耦截止，此时接口电路输出亦为低电平，功放输出级 PNP晶体管导通，给被驱动的功率 IGBT 栅 、 射极间施加以反向电压，使被驱动功率 IGBT模块恢复关断状态。 图 6 M57957L 内部结构 显示电路设计 根据设计要求要对系统各项参数和电机运行状态进行显示，因此在电路中加入显示模块是非常必要的。 在系统运行过程中需要显示的数据比较多，而且需要汉字显示，在这里选用 12864 液晶显示器比较适合，它是一种图形点阵液晶显示器 ,主要由行驱动器 /列驱动器及 12864 全点阵液晶显示器组成，可完成汉字 （ 1616 ）显示和 图形显示共有 20 个引脚，其引脚名称及引脚编号的对应关系如图 7，引脚功能如表 2所示。 第十一届“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛 14 VSSVDDVORSR/WEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7CS1CS2/RSTVEEAK1234567891011121314151617181920 图 7 12864LCD 引脚分布 表 2 12864 液晶显示模块引脚功能 引脚 符 号 引 脚 功 能 引脚 符 号 引 脚 功 能 1 VSS 电源地 15 CS1 CS1=1 芯片选择左边 64*64点 2 VDD 电源正 +5V 16 CS2 CS2=1 芯片选择右边 64*64点 3 VO 液晶显示驱动电源 17 /RST 复位（低电平有效） 4 RS H： 数据输入； L： 指令码输入 18 VEE LCD 驱动负电源 5 R/W H： 数据读取； L： 数据写入 19 A 背光电源（ +） 6 E 使能信号。 20 K 背光电源（ ） 714 DB0DB7 数据线 有些型号的模块 1 20 脚为空脚 键盘电路设计 根据设计需求，本系统中使用了 44 键盘用以 实现 对 P、 I、 D三个参数和电机正反转的设定，以及对电机启动、停止、暂停、继续的控制，其电路原理图如图 8所示。 图中 L0～ L3 为 44 键盘的列信号， H0～ H3 为 44 键盘的行信号。 在本系统中，用 ～ 第十一届“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛 15 0 1 2 34 5 6 78 9 正反转 暂停继续 启动 停止 设置H0H1H2H3L0L1L2L3连接键盘的列信号 L0～ L3；用 ～ H0～H3。 按照要求设计操作面板如图 8所示： 图 8 键盘模块 键盘操作说明：在系统开始运行时， 1286 4LCD 将显示开机界面，若设置键显示屏进入参数设置界面，此时按 4进入相应参数的设置的状态，输入相应的数字即可完成该参数的设置，待所有量设置完成后按正 /反控制键设置正反转，最后按启动键启动系统，在运行过程中可按下相应键对电机进行暂停、继续、停止运行的控制。 4 软件设计 程序流程 主流程图 第十一届“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛 16 开始初始化调用清屏子程序开始界面显示设置键按下。 调用清屏子程序设置界面显示根据设置计算参数启动键按下。 调用清屏子程序电机运行状态显示PWM 脉冲输出YNYN在一个完整的系统中，只有硬件部分是不能完成相应设计任务的，所以在该系统中软件部分是非常重要的，按照要求和系统运行过程 设计出主程序流程如图 9所示。 图 9 主 流程 图 第十一届“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛 17 显示程序流程 显示模块是实现人机对话的重要部分，在这里选用 1286 4LCD 显示器可实现对汉字和字符的显示，该显示器的引脚功能在上面已经做了说明，下面介绍 1286 4LCD 的相关指令。 显示子程序流程如图10 所示 图 10 显示程序流程 键盘程序程序流程 键盘中断程序是用来设在系统相应参数和控制系统进入相应的运行状 态，其程序流程图如图 11所示。 初始化循环次数j ＝ 2 ?写入数据字节数 i ＝ 16。 设置显示起始页 、 起始列调用写入数据子程序j = j + 1。 i = 0i = i + 1RETIYNNY初始化循环次数j ＝ 2 ?写入数据字节数 i ＝ 8。 设置显示起始页 、 起始列调用写入数据子程序j = j + 1。 i = 0i = i + 1RETIYNNYa ) 写入 16 * 16 汉字程序流程 b ) 写入 8 * 16 数字第十一届“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛 18 延时去抖动P 1 口低四位置 1读 P 1 口低四位数据到 KEYLKEYL 、 KEYH相与为 KEYP 1 口高四位置 1读 P 1 口高四位数据到 KEYHKEY = 0 XEE ?KEY = 0 XEB ?KEY = 0 XED ?KEY = 0 XE 7 ?KEY = 0 XDE ?KEY = 0 XDD ?KEY = 0 XDB ?KEY = 0 XD 7 ?KEY = 0 XBD ?KEY = 0 XBE ?KEY = 0 XBB ?KEY = 0 XB 7 ?KEY = 0 X 7 E ?KEY = 0 X 7 D ?KEY = 0 X 7 B ?KEY = 0 X 77 ?数字键 0数字键 1数字键 2数字键 3数字键 4数字键 5数字键 6数字键 7数字键 8数字键 9正 / 反功能键暂停功能键继续功能键启动功能键停止功能键设置功能键RETIYNNNNNNNNNNNNNNNNYYYYYYYYYYYYYYY 第十一届“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛 19 0)]2()1(2)([)()]1()([ unene neKneKneneK DIP  图 11 键盘程序程序流程 算法实现 电机速度算法 测速发电机 输出电动势与转速成比例的微特电机。 测速发电机的绕组和磁路经精确设计，其输出电动势 E 和转速 n 成线性关系，即 E=Kn,K是常数。 改变旋转方向时输出电动势的极性即相应改变。 在被测机构与测速发电机同轴联接时，只要检测出输出电动势，就能获得被测机构的转速。 PID 算法 本系统设计的核心算法为 PID 算法，它根据本次采样的数据与设定值进行比较得出偏差)(ne ，对偏差进行 P、 I、 D运算最终利用运算结果控制 PWM 脉冲的占空比来实现对加在电机两端电压的调节 [10]，进而控制电机转速。 其运算公式为： )(nu 因此要想实现 PID 控制在单片机就必须存在上述算法， 其程序流程如图 12所示。 图 12 算法流程 计算 e ( n )计算 KIe ( n )计算 KP ( e ( n ) e ( n 1 ))计算 KD ( e ( n ) 2 e ( n 1 )+ e ( n 2 ))计算 Δ u ( n )计算 Δ u ( n )＋ u ( n 1 )e ( n 1 ) → e ( n 2 )e ( n ) → e ( n 1 )u ( n ) → u ( n 1 )返回图 4 . 1 PID 程序流程第十一届“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛 20 小结 本课题的目的在于利用单片机实现 PID算法产生 PWM脉冲来控制电机转速同时监控电压电流起到保护作用并且本设计控制灵活、可靠、精度高，可满足测试的各项要求。 可以 对 小型工农业 的电机简单控制实现小型化。 可以与上位机通讯实现复杂控制。 驱动体积小，功耗小，采用标准器件方便更换升级。 到目前为止通过对控制器模块、电机驱动模块、 LCD 显示模块、键盘模块、数字 PID 算法、电压电流监控等进行了比较深入的研究。 完成了硬件电路的系统设计，软件方面利用 C语言进行编程，增强了程序的可移植性和灵活性。 通过此次设计，掌握了 驱动电路的相关设计及 数字 PID算法的使用及编程方法，学习了如何进行系统设计及相关技巧，为今后的工作和学习奠定了坚实的基础。 第十一届“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛 21 参考文献 [1] 孙传友 . 测控系统原理与设计 [M] .北京：北京航空航天大学出版社 , 20xx [2] 王兆安 .电力电子技术（第四版） . 北京：机械工业出版社 , 20xx [3] 李广弟 .单片机基础（第三版 ） .北京：北京航空航天大学出版社 ,20xx [4] 杨渝钦 .控制电机 . 北京：机械工业出版社 ， 20xx [5] 童诗白 .模拟电子技术 （第四版） .北京：高等教育出版社， 20xx [6] 阎石 .数字电子技术（第五版） .北京：高等教育出版社， 20xx [7] 王勇骥 .自动控制原理 （第二版） .北京：化学工业出版社， 20xx [8] 李宏 .M57957L/M57958L IGBT 厚膜驱动器集成电路 手册 .电子发烧友论坛 .20xx [9] STC12C5A60S2 系列单片机器件手册 . 电子发烧友论坛 .20xx [10] 锦昌电子 .12864LCD 数 据 手 册 [DB/OL]. 第十一届“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛 22 附录。