一種小型直流電機控制系統硬件設計方案

林家泉，程緒宇，周賢民，穆 欣

（中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300）

小型直流電機采用永磁體建立磁場，不需要勵磁電流，電機中省去了勵磁回路，在一定程度上這種電機的控制也相對簡單[1-2]，小型永磁直流電機廣泛應用于各種自動化裝置中[3]，本文設計了以L298N驅動芯片為功率變換器件的直流電機控制系統硬件電路，實現對直流電機電樞電壓的控制，進而控制電機的轉速，系統采用轉速負反饋，給出了所設計的硬件電路，并進行了控制實驗，實驗結果表明所設計的硬件系統具有良好的性能，且有一定的應用價值。

1 系統結構及功能

直流電機控制系統結構框圖如圖1所示，控制器是STC12C5A單片機，用來進行數據采集并生成控制指令。系統電源模塊產生系統工作所需5 V直流電源和直流電機工作電源。按鍵以及顯示模塊用來輸入控制指令，并顯示系統的工作狀態。驅動模塊是L298N驅動芯片，驅動芯片在單片機的控制下實現直流電機的加減速、正反轉、停轉。L298N是一個全橋式驅動器[4-5]，內部集成有2組H橋逆變器，單片機產生的PWM信號驅動L298N[6-7]。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure configuration

測速模塊采用的傳感器為光電對管和光柵碼盤。將檢測到的電機轉速傳給單片機，配合軟件構成轉速閉環控制。

2 系統硬件電路設計

2.1 控制器、顯示及按鍵模塊設計

控制器、按鍵及顯示模塊電路如圖2所示，控制器選用STC12C5A單片機，是一款增強8051型單片機，工作頻率可達48 MHz，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度更快。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250 k/s），片上有8 KB的程序存儲空間和512 B的RAM，其資源適用于電機控制。單片機控制器功能包括：讀取鍵盤輸入的控制指令，完成對直流電機速度、電流的實時采樣，根據控制率計算直流電機的驅動電壓，輸出L298N電機驅動模塊的PWM控制信號。作為系統的顯示器件，RA8806是一款帶矩陣鍵盤掃描功能的液晶模塊，支持同時多按鍵和單鍵長按功能，按鍵輸入可產生外部中斷，按鍵值可通過液晶的8位數據總線讀取，極大地節約了單片機的I/O資源。同時，RA8806的顯示分辨率為320×240，支持圖形文字雙層顯示。顯示模塊用來顯示電機實時的轉速、電流等信息。采用4×5矩陣鍵盤控制電機，列線通過電阻連接正電源，列線所連接的I/O口則作為輸入端。行線所接的單片機的I/O口作為輸出端。鍵盤完成電機給定轉速命令輸入、電機正反轉控制命令輸入。

圖2 控制器顯示及按鍵接口電路Fig.2 Controller display and keyboard interface circuit

2.2 L298N驅動電路設計

系統中選用電機驅動芯片，外圍接口電路如圖3所示，該芯片是一個高電壓、大電流的雙全橋式驅動器，共有2組，每組由4個大功率晶體管組成的H橋電路構成。最高直流驅動電壓達到46 V，可承受最高4 A的直流電流，可接受標準的TTL電平來驅動感性負載。Vss接邏輯控制的電源，Vs接電機驅動電源。IN0～IN1輸入引腳為標準TTL邏輯電平信號，經PS2801光耦隔離后連接到INPUT1、INPUT2端，通過控制IN0、IN1這2個端口上的高低電平組合，即可實現電機的正反轉。ENA引腳則為使能控制端，單片機發出的PWM信號連接到ENA端，改變PWM信號的占空比來控制電機的轉速。4個二極管D8～D11起到保護L298N芯片的作用。

圖3 L298N驅動電路Fig.3 L298N driver circuit

2.3 測速模塊電路設計

速度檢測電路如圖4所示，測速裝置為WTK-20光電對管和碼盤，碼盤光柵為100線，每轉動一轉，編碼器輸出100個脈沖信號。

圖4 速度檢測電路Fig.4 Speed sampling circuit

采用M法測速，當電機旋轉時，碼盤跟隨電機旋轉，發光裝置在一定時間間隔內連續發出脈沖，通過計算在這段時間內的脈沖，就可計算出電機轉速。光電對管與單片機之間通過一個D觸發器連接，它采集的脈沖A端接在D觸發器的輸入端D，B端接在CLK上，采用這種接法節省了I/O口。通過D觸發器的連接，它的輸出Q接到單片機上，只用了單片機的一個I/O口，節省了資源。另外還可實時監控電機的正反轉。PULSE_A和PULSE_B接在光電對管的脈沖輸出端，這2路連續脈沖序列的相位差為90°。A相超前時，電機正轉；B相超前時，電機反轉。

2.4 系統電源設計

系統電源分成2部分，一部分是系統工作所需的5 V電源，輸入6～18 V直流電，通過LM2596穩壓器輸出5 V電源，經濾波后供給系統；另外一部分是直流電機的工作電源，由220V/50Hz隔離變壓，整流濾波后產生約50V直流，濾波后經LM2576HVT可調穩壓器，通過電阻調節輸出電壓至電機的額定電壓，可調輸出電壓為1.23～57 V，能提供最大3 A的工作電流。LM2576HVT的電源控制端，可接受來自單片機的控制信號，為電機提供過壓過流時關斷電源的保護。

3 實驗結果

轉速調節器為PI調節器，采用工程整定法，由小到大調整參數。實驗用直流電機的額定電壓為6 V，使用NI USB-6009型數據采集卡，測量旋轉脈沖編碼器輸出的速度信號，然后求得信號頻率，再通過換算獲得轉速波形。

電機的給定轉速為60 r/s，電機轉速的動態調節過程如圖5所示，從轉速響應曲線可看出轉速調節快，超調量小，轉速平穩，得到了良好的控制效果。

圖5 速度響應曲線Fig.5 Response curve of speed

4 結語

本文設計了以L298N為直流電機驅動芯片，以STC12C5A單片機為控制器的直流電機轉速閉環控制系統硬件方案，利用光電對管和碼盤測量直流電機轉速，PWM方式配合直流電機驅動芯片控制電機轉速，實現轉速的閉環控制。整個系統結構簡單，工作穩定可靠，具有一定的工程應用價值。

[1] 廖曉鐘，劉向東.控制系統分析與設計[M].北京：清華大學出版社，2010：34-35．

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