基于单片机的直流调速系统设计论文.docx

《基于单片机的直流调速系统设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的直流调速系统设计论文.docx（32页珍藏版）》请在沃文网上搜索。

1、基于单片机的直流电动机调速系统设计摘 要本文主要研究了利用AT89C52系列单片机为核心，利用了LM629内部集成的数字式运动控制器的功能，采用PWM软件方法来实现的调速过程，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外，本文中还采用了键盘输出电机的参数信息，并在液晶屏上显示，完成了功能的可视化。另外，本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量，从而实现了对直流电机速度的闭环控制。在软件方面，文章中详细介绍了LM629运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。使得软件的运行更为合理可靠，有效地简化了

2、软硬件设计，使系统的结构更加简洁、紧凑。关键词：AT89C52，LM629，直流电动机，PWM信号， The Design of Direct Current Motor speed Regulation System Based On SCMJianwei LiuAbstractThis article mainly studies the AT89C52 single chip microcomputer as the core of the series, using the LM629 inside integrated digital controller function, usi

3、ng PWM software methods to achieve process of the speed, and the principle of PWM signal, the generation methods and how to through software programming to PWM signal than on the adjustment of empty, so as to control the input signal wave are detailed in this paper. In addition, this paper also adop

4、ted the keyboard output parameters of the motor information, and displayed on the LCD panel, and completed the visual function. In addition, the system used to dc tachogenerator motor speed measuring, thus realize the dc motor speed closed-loop control. In software, the article introduced in detail

5、in LM629 operation procedures, such as initial program and the writing of the thought and specific program realization. Make the operation of the software is more reasonable and reliable, effectively simplified the hardware and software design, the system structure more concise, compact.Key words: A

6、T89C52, LM629, Direct Current Motor, PWM signal目录摘 要2第一章 绪论4 1.1研究现状4 1.2设计的意义5 1.3本论文的主要内容5第二章 总体设计与方案6 2.1系统总方案论证与选择6 2.2设计的原理6 2.3系统框图6第三章 硬件电路6第四章 各功能模块的设计6 4.1单片机的选型：6 4.1.1管脚说明：6 4.1.2编程方法6 4.1.3数据查询6 4.2 PWM控制技术6 4.2.1 PWM的基本原理6 4.2.2 PWM在直流调速中的应用6 4.2.3桥式可逆PWM变换器6 4.2.4 PWM信号发生电路设计6 4.3运动控制处

7、理器LM6296 4.4 LMD182006 4.4.1主要性能6 4.4.2内部结构和引脚说明6 4.4.3 LMD18200工作原理：6 4.4.4直流电机的典型应用6 4.5光电编码盘6 4.6 M/T法测速原理及误差分析6 4.7 检测回路6 4.8 键盘扫描电路6 4.9 显示器LCD69636 4.10直流电机的调速方式6第五章 软件的设计6 5.1“忙”状态检测6 5.2初始化6 5.3PID参数编程6 5.4轨迹参数编辑6第六章 总结6致谢6参考文献6第一章 绪论1.1研究现状在电气传动领域中，随着各项技术水平的不断提高，使得传统工艺有了深层次的提高，对人类的生产与生活，产生了

8、深刻且深远的影响，已经与我们息息相关。由于直流电动机具有良好的起动、制动性能,适宜在大范围内平滑调速,因此在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。而且,从控制的角度来看,直流调速还是交流调速，都用到拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难, 触发精度易受电网电压波动的影响，触发脉冲不对称度较大，调节器中的运算放大器，因网压和温度变化引起的漂移会产生运算误差，模拟器件老化也会引起运算误差，甚至使已经整定好的系统性能变差，这些都阻碍了直流电动机控

9、制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异,使许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,而且使系统能达到了更高的性能,从而大大节约了人力资源,降低了系统成本,有效地提高了工作效率。因为单片机具有小巧灵活、成本低、易于产品化、可靠性好、适应温度范围宽、易扩展、控制功能强等优点，用单片机取代模拟电路作为电动机的控制器，使电路更简单，模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件,使电路复杂,使用单片机微处理器后,绝大多数控制逻辑可通过软件实现可以实现较复杂的控制,单片机有更强的逻辑功能,运算速度和精度高、有大容量的存储单元,因此有能力实现复杂的控制灵

10、活性和适应性强,单片机的控制方式是由软件完成的,如果需要修改控制规律,一般不必改变系统的硬件电路,只需修改程序即可,在系统调试和升级时,可以不断尝试选择最优参数,非常方便无零点漂移,控制精度高、数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题,无论被控量的大小,都可以保证足够的控制精度可提供人机界面,多机联网工作等优点。所以在电气传动实时控制系统中受到重视和普遍应用。利用单片机逻辑功能强和软件灵活的优点，不仅可使很多控制硬件软件化，便于参数的设定和调整，而且可以同时对系统工作中的各种信息数据进行诊断、检测和及时处理，加强了实时维护和提高了控制系统的可靠性。它的发展趋势将是向大容量、高性能化、外

11、围电路内装化等方面发展。1.2设计的意义直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降

12、低系统成本，从而有效的提高工作效率。传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。1.3本论文的主要内容首先，学习直流电动机的结构和PWM调速的工作原理，学习单片机AT89C52基本控制和设计方法，学习专用运动

13、控制处理器LM629的工作原理和控制方法。本设计包括硬件设计，软件设计和调试三个部分，本文首先对基于单片机的直流调速系统设计做出整体规划,分析当前可使用的各类直流电动机转速控制方案；利用单片机AT98C52产生控制信号；利用运动控制处理器芯片对电机进行控制和监控；利用光电编码盘作为传感器，形成反馈环节，根据要实现的功能设计软件流程，使系统能够按照要求实现功能。第二章 总体设计与方案2.1系统总方案论证与选择方案一：直接加直流电源来控制电机的转动速度,根据电动机在其额定电压时，电动机有一定的额定转速。根据其输入电压的减小，其转动速度也相应的减小。从而在传统的改变电动机的转速问题中，就是利用所给直

14、流电动机的电压的不同，而达到人们所需要的大约速度。方案二：以单片机AT89C51为中心通过D/A转换器,将单片机数字量转换为模拟量，从而起到控制电动机的转速问题。其中在单片机控制部分通过按键直接从程序中调出所需要速度的值，同时输到数码显示部分和D/A转换部分以实现直流电动机的调速。方案三：采用AT89C52单片机和运动控制处理器LM629进行控制。通过AT98C52单片机传送运动参数和PID数据，并通过运动控制处理器LM629产生PWM波控制电机的转速，在通过光电编码盘测速，达到闭环控制的效果。方案分析：方案一只能以减小所给电压值而能使电动机的转速有相应的减小，此方案操作性差且不安全。方案二不

15、能及时的从电动机那里得到相应的转动速度，而是直接从程序哪儿调用相应的数值给数码显示。所以，此处的电路在速度的显示上失去了其真实性。方案三采用了在可操作性与实时性方面都结合了本专业特点，从控制理论与控制技术出发，充分发挥与应用本学科特点，在控制精度上面有很大的提高。所以，设计采用方案三。2.2设计的原理本文主要研究了利用AT89C52系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控

16、制技术发展的主要方向之一。利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文章中采用AT98C52单片机传送运动参数和PID数据，并通过运动控制处理器LM629对电机的运行进行监控，LM629则根据单片机发送来的数据生成速度图，进行位置跟踪，LM629的2个输出PWMS和PWMM经光电隔离与驱动芯片LMD18200相连，来驱动直流电动机运行。在直流电动机输出轴上安装增量式光电编码盘作为传感器，它的输出直接连到LM629的A、B、Z输入端，形成反馈环节，实现电机的调速控制。本设计的控制器利用单片机完成，运动控制及监控用LM629实现。单片机同键盘进行人机交互，获得预输出的速度，转向。通

17、过液晶显示器显示，在通过利用光电编码盘作为传感器，形成反馈环节，实现电机转速的最优控制。2.3系统框图本系统采用AT89C52控制输出控制数据给运动控制处理器LM629，通过LM629产生PWM波形给驱动芯片LMD12800完成电机的转速调节，在用光电编码盘检测电动机的位置，速度等反馈给LM629，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的，系统框图如图1所示。图1 电路组成框图第三章 硬件电路由于大部分的控制任务均由LM629内部功能块完成，因此其外部电路非常简单，基本上只需要跟单片机、电机驱动器和光电编码器做好接口即可。硬件电路中采用的是LM629N-6型号芯片，其允许的晶振频

18、率最高为6MHz，为了提高系统响应速度，选用6MHZ的四脚晶振来为LM629系统提供时钟信号。如图2中所示，单片机AT98C52的P0口与LM629的数据口D0D7相连，通过P0口，单片机可以向LM629写进指令和数据，同时LM629也可以向单片机回馈状态信息。需要注意的是，由于P0口即有输入的功能也有输出的功能，又由于P0是漏极开路型I/O口，做输入用时必须接8个上拉电阻，阻值一般可取5.1K。CS是LM629的片选信号，RST是LM629的复位端口，RD为读选通信号，WR为写选通信号，上述端口均为低电平有效。PS为指令/数据选择端口，当PS输出为低电平时，单片机向LM629指令口写入指令或

19、从指令口读出状态，当PS输出高电平时，单片机经数据口写入或读出数据。MAG引脚用于输出PWM脉冲，SIGN引脚用于输出方向信号。为了防止电机的启动与停止对上位机与LM629芯片产生干扰，这两个信号通过光电耦合器进行信号隔离后进入电机驱动芯片LMD12800。图2 硬件电路图如图2所示，单片机的主要工作就是通过键盘向LM629传送运动数据和PID数据，并通过LM629对电动机的运行进行监控。LM629则根据单片机发来的数据生成速度图，进行位置跟踪，PID控制和生成PWM信号输出。LM629的2个输出PWMS和PWMM经光电隔离与驱动芯片LMD12800相连，来驱动直流电动机运行。在直流电动机输出

20、轴上安装增量式光电编码盘作为传感器，它的输出直接连到LM629的A、B、Z输入端，形成反馈环节，速度和方向都在显示器上面显示。第四章 各功能模块的设计4.1单片机的选型：AT89C52如图3所示，是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。T89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统

21、控制应用场合。图3 AT89C52引脚图AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。主要性能参数：1、兼容MCS51指令系统2、8k可反复擦写(大于1000次）Flash ROM；3、32个双向I/O口；4、256x8bit内部RAM；5、3个16位可编程定时/计数器中断；6、时钟频率0-24MHz；

22、7、2个串行中断，可编程UART串行通道；8、2个外部中断源，共8个中断源；9、2个读写中断口线，3级加密位；10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求4.1.1管脚说明：AT89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（1

23、9脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（3239脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。P0

24、口P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某

25、个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。P2口P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电

26、流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR

27、）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端

28、为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。4.1.2编程方法编程前，须设置好地址、数据及控制信号，AT89C52编程方法如下：1 在地址线上加上要编程单元的地址信号。2 在数据线上加上要写入的数据字节。3 激活相应的控制信号。4 在高电压编程方式时，将EA/VPP 端加上+12V编程电压。5 每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG编程

29、脉冲。每个字节写入周期是自身定时的，通常约为1.5ms。重复15步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到全部文件编程结束。4.1.3数据查询AT89C52单片机用Data Palling表示一个写周期结束为特征，在一个写周期中，如需读取最后写入的一个字节，则读出的数据的最高位（P0.7）是原来写入字节最高位的反码。写周期完成后，所输出的数据是有效的数据，即可进入下一个字节的写周期，写周期开始后，Data Palling可能随时有效。Ready/Busy：字节编程的进度可通过“RDY/BSY”输出信号监测，编程期间，ALE变为高电平“H”后，P3.4（RDY/BSY）端电平被拉低，表示正在编程

30、状态（忙状态）。编程完成后，P3.4变为高电平表示准备就绪状态。程序校验：如果加密位LB1、LB2没有进行编程，则代码数据可通过地址和数据线读回原编写的数据，加密位不可直接校验，加密位的校验可通过对存储器的校验和写入状态来验证。芯片擦除：利用控制信号的正确组合，并保持ALE/PROG引脚10ms的低电平脉冲宽度即可将PEROM阵列（4k字节）和三个加密位整片擦除，代码阵列在片擦除操作中将任何非空单元写入“1”，这步骤需再编程之前进行。读片内签名字节：AT89C52单片机内有3个签名字节，地址为030H、031H和032H。用于声明该器件的厂商、型号和编程电压。读AT89C52 签名字节需将P3

31、.6和P3.7置逻辑低电平，读签名字节的过程和单元030H、031H及032H的正常校验相仿，只返回值意义如下：（030H）=1EH声明产品由ATMEL公司制造。（031H）=52H声明为AT89C52单片机。（032H）=FFH声明为12V编程电压。（032H）=05H声明为5V编程电压。4.2 PWM控制技术PWM是Pulse Width Modulation的缩写，即脉冲宽度调制，是通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。调速可分为直流调速和交流调速。尽管直流电机比交流电机结构复杂、成本较高、维修保养贵，但是其调速性能好，所以在调速传动领域中一直占主导地位

32、。4.2.1 PWM的基本原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图4所示：图4 PWM方波设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va =

33、 Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比D = t1 / T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd 与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。4.2.2 PWM在直流调速中的应用PWM广泛应用于直流调速系统，例如，以往普遍应用的晶闸管相控整流直流电机调压调速系统，现在也发展了全波步控整流PWM斩波直流电压调速系统，开关磁阻电动机也是有直流斩波器供电的。PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断

34、把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。直流电动机转速n的表达式为：n= Ua-IaRaCe-（r/min）式中 Ua电枢端电压（V）Ia电枢电流（）Ra电枢电路总电阻（）每级磁通量（Wb）Ce与电机结构有关的常数由式可知，直流电动机转速n的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制励磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制。而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的是电枢电压控制法。Ua=Ud-IaR，虽然调节

35、电阻R即可改变端电压达到调速目的，但这种方法效率很低。随着电力电子技术的进步，可由PWM斩波器进行斩波调压。4.2.3桥式可逆PWM变换器脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。桥式可逆PWM变换器电路如图5所示。这是电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。图5 桥式可逆PWM变换器电路双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图6所示。图6 PWM变换器的驱动电压波形他们的关系是：。在一个开关周期内，当时，晶体管、饱和导通而、截止，这时。当时，、截止，但、不能立即导通，电

36、枢电流经、续流，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图2所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，则的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，平均输出电压为零，则电动机停止。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为如果定义占空比，电压系数则在双极式可逆变换器中调速时，的可调范围为01相应的。当时，为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值等于零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的

37、损耗这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。双极式控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点：1）电流一定连续。2）可使电动机在四象限运行。3）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。4）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。4.2.4 PWM信号发生电路设计PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM波的频率

38、在18KHz左右时，效果最好。在本系统内，采用了LM629产生PWM信号。4.3运动控制处理器LM629LM629如图7所示，是美国国家半导体共识的产品，他是全数字式控制的专用运动控制处理器。通过一片单片机 一片LM629一片功率驱动器 一台直流电动机 一个增量式光电编码盘就可以构成一个伺服系统。LM629N是NMOS结构，采用28引脚双列直插式封装，使用6MHZ或8ZHZ时钟频率和5V电源工作。图7. LM629引脚图LM629的特性（1）32 位的位置、速度和加速度寄存器；（2）带16 位参数的可编程数字PID 控制器；（3）可编程的微分采样时间；（4）8 位脉冲调制PWM 信号输出；（5

39、）速度、位置及PID 参数可在运动过程中实时改变；（6）位置、速度两种控制方式；（7）具备增量式编码器接口；（8）可随时向上位机反馈各运动状态信息。LM629通过I/O口与单片机进行通讯，输入运动参数和控制参数，输出状态信息。用一个增量式光电编码盘来反馈电动机的实际位置。来自增量式光电编码盘的位置信号A、B经过LM629四倍频后，提高了分辨率。A脉冲与B脉冲逻辑状态每变化一次，LM629内的位置寄存器就会加（减）1。编码盘的A、B、Z信号同时低电平时，就产生一个INDEX信号送入LM629寄存器，记录电动机的绝对位置。LM629的速度梯形图发生器用于计算所需的梯形速度分布图。在位置控制方式时，

40、主处理器提供加速度、最高转速、最终位置数据，LM629利用这些数据计算运行轨迹。LM629系统框图，如图8所示图8 LM6294.4 LMD18200LMD18200是美国国家半导体公司(NS)推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件。同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件，利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。LMD18200广泛应用于打印机、机器人和各种自动化控制领域。4.4.1主要性能（1）峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A；（2）工作电压高达55V；（3）Low RDS(ON) typically 0.3W per switch；（4）TTL

41、/CMOS兼容电平的输入；（5）无“shoot-through”电流；（6）具有温度报警和过热与短路保护功能；（7）芯片结温达145，结温达170时，芯片关断；（8）具有良好的抗干扰性。4.4.2内部结构和引脚说明LMD18200外形结构如图9所示，内部电路框图10如图所示。它有11个引脚,采用TO-220和双列直插式封装。图9 LMD12800外形结构图图10 LMD12800内部电路图各引脚的功能如表1所示：引脚名称功能描述1、11桥臂1，2的自举输入电容连接端在脚1与脚2、脚10与脚11之间应接入10uF的自举电容2、10H桥输出端3方向输入端转向时，输出驱动电流方向见表1。该脚控制输出

42、1与输出2（脚2、10）之间电流的方向，从而控制马达旋转的方向。4刹车输入端刹车时，输出驱动电流方向见表1。通过该端将马达绕组短路而使其刹车。刹车时，将该脚置逻辑高电平，并将PWM信号输入端（脚5）置逻辑高电平，3脚的逻辑状态决定于短路马达所用的器件。3脚为逻辑高电平时，H桥中2个高端晶体管导通；3脚呈逻辑低电平时，H桥中2个低端晶体管导通。脚4置逻辑高电平、脚5置逻辑低电平时，H桥中所有晶体管关断，此时，每个输出端只有很小的偏流（1.5mA）。5PWM信号输入端PWM信号与驱动电流方向的关系见表1。该端与3脚（方向输入）如何使用，决定于PWM信号类型。6、7电源正端与负端8电流取样输出端提供

43、电流取样信号，典型值为377 A/A。9温度报警输出温度报警输出，提供温度报警信号。芯片结温达145时，该端变为低电平；结温达170时，芯片关断。表2 LMD18200逻辑真值表PWM转向刹车实际输出驱动电流电机工作状态HHL流出1、流入2正转HLL流入1、流出2反转LL流出1、流出2停止HHH流出1、流出2停止HLH流入1、流入2停止LXHNONE4.4.3 LMD18200工作原理：内部集成了四个DMOS管，组成一个标准的H型驱动桥。通过充电泵电路为上桥臂的2个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路由一个300kHz左右的工作频率。可在引脚1、11外接电容形成第二个充电泵电路，外接电容越大，向

44、开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升的时间越短，工作频率可以更高。引脚2、10接直流电机电枢，正转时电流的方向应该从引脚步到引脚10；反转时电流的方向应该从引脚10到引脚2。电流检测输出引脚8可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。内部保护电路设置的过电流阈值为10A，当超过该值时会自动封锁输出，并周期性的自动恢复输出。如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚9输出，当结温达到145度时引脚9有输出信号。4.4.4直流电机的典型应用LMD18200典型应用电路如图11所示。图11 采用LMD12800单极性驱动电路的实际应用电路LMD18200提供双极性驱

45、动方式和单极性驱动方式。双极性驱动是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。双极性可逆系统虽然有低速运行平稳性的优点，但也存在着电流波动大，功率损耗较大的缺点，尤其是必须增加死区来避免开关管直通的危险，限制了开关频率的提高，因此只用于中小功率直流电动机的控制。本文中将介绍单极性可逆驱动方式。单极性驱动方式是指在一个PWM周期内,电动机电枢只承受单极性的电压。该应用电路是Motorola 68332CPU与LMD18200接口例子，它们组成了一个单极性驱动直流电机的闭环控制电路。在这个电路中，PWM控制信号是通过引脚5输入的，而转向信号则通过引脚3输入。根据PWM控制信号的占空比来

46、决定直流电机的转速和转向。采用一个增量型光电编码器来反馈电动机的实际位置，输出AB两相，检测电机转速和位置，形成闭环位置反馈，从而达到精确控制电机。图12 单极性驱动方式下的理想波形4.5光电编码盘光电编码盘是将测得的角位移转换成为相应的电脉冲信号输出的数字传感器，本设计采用增量式光电编码器来采样转速信号，如图13所示。增量式编码器是专门了用来测量转动角位移的累计量。这里以三相编码器为例来介绍增量式编码器的工作原理及其结构。图13 编码器原理图增量式光电编码器在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧安放发光元件和光敏元件。当圆盘随电机旋转时，光敏元件接受的光增量随透光线条同步变化，光

47、敏元件输出波形经过整形后变成脉冲。码盘上有向标志，每转一圈z相输出一个脉冲。此外，为判断旋转方向，码盘还提供相位相差90的两路脉冲信号。将A、B两相脉冲中任何一相输入计数器中，均可使计数器进行计数。编码盘输出的z相脉冲用于复位计数器，每转一圈复位一次计数器。编码盘的旋转方向可以通过D触发器的输出信号Q来判断。整形后的A、B两相输出信号分别接到D触发器的时钟端和D输入端，D触发器的CLK端在A相脉冲的上升沿触发。由于A、B两相的脉冲相位相差90，当电机正转时，B相脉冲超前A相脉冲90，触发器总是在B脉冲为高电平时触发，这时D触发器的输出端Q输出为高电平。当电机反转时，A相脉冲超前B相脉冲90，则D触发器总是在B脉冲为