基于单片机的多轴直流电机控制系统设计

纵榜峰，曹吉花

(宿州学院机械与电子工程学院，安徽宿州234000)

基于单片机的多轴直流电机控制系统设计

纵榜峰，曹吉花

(宿州学院机械与电子工程学院，安徽宿州234000)

本设计是一种基于单片机的多轴直流电机控制系统.该系统以AT89C52RC单片机作为核心控制器，通过三个按键把所选电机的编号和控制要求发送给单片机，单片机经过处理后把相应的控制指令发送给所选电机的调速驱动电路，通过PCF8591进行数模转换后再通过LM324组成的调速电路产生稳定的不同占空比的脉冲电压(PWM)来实现对电机的加速、减速和其它控制要求.同时，所有操作信息和电机转速都在显示模块中进行实时显示，满足了对多轴直流电机的各种控制要求.

单片机;多轴电机控制;调速驱动

电机是工业生产中的重要动力来源，随着工业生产自动化水平的提高，多轴电机在自动化的生产线和大型自动车床中被广泛应用.本系统以5个24V 30W的直流电机作为控制对象，以主控模块上的三个功能按键(key mode、key up和key down)作为控制操作端口，根据显示模块所显示的操作信息和电机的转速情况进行操作按键来控制电机的编号选择和转速增减的调节，key mode控制电机的编号，每按一下，电机的编号增加1;key up和key down控制电机的转速，每按一下key up电机转速增加X rad/s，每当按下key down电机转速减少X rad/s，X的值可根据控制要求在程序中进行设置.最终实现五个电机相互独立转动，互不干扰，又可同时对它们的启停和加减速进行自由控制.

1 系统设计方案

该系统主要由主控模块、显示模块、电机调速驱动模块、电机模块和功能按键模块组成，系统结构如图1所示.操控者根据显示模块上所显示的每个电机的转动情况通过功能按键和显示模块的操作提示对单片机发出操控指令，经单片机处理后通过驱动接口向调速驱动模块发送指令，该指令首先通过PCF8591实现数据信号与模拟信号地转换，再通过LM324产生稳定的三角波电压与可控制电压的占空比(PWM)来实现直流电机的加速减速和选择的其它控制要求［1］.同时电机的转速会实时反馈到控制模块，再由控制模块将数据发送给显示模块进行显示.

2 系统硬件电路设计

整个系统硬件主要包括四部分:主控系统电路、显示电路、数模转换电路和调速电路.主控电路以单片机为控制核心，外加一个串行通信电路及电源电路组成.显示电路采用显示模块采用NOKIA5110 LCD显示模块，数模转换电路主要把单片机的控制信号转换成模拟信号为下一步的调速脉冲信号提供信号源.调速电路主要把数模转换后的控制信号进行处理变成不同占空比的脉冲信号，从而实现对直流电机的转速控制.

2.1 主控系统电路

主控系统电路如图2所示，主要由单片机最小系统、串口通信电路、功能按键及电源电路组成.采用AT89C52RC单片机作为控制器，拥有8051内核的STC89C52RC单片机是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，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)，这些特点使得STC89C52能为控制系统提供灵活、有效的解决方案［2］.单片机和计算机的通信方式采用的是串口通信，利用MAX232实现RS232与TTL之间的电平转换，使得单片机和计算机之间能够进行串行通信.功能按键主要由三个按键组成，分别控制电机的选择、减速和加速.连续按下点击选择按键，显示器上就会出现不同的电机编号，操作者可从中选择需要控制的电机，然后再通过按加速和减速按键对所选择的电机进行控制操作.整个控制系统电源采用稳定的直流5V电源供电.同时，主控模块还设有液晶显示接口，并把单片机的P20和P21口作为连接PCF8591芯片的SDA和SCL接口，这些接口实现了和其他模块电路的有效连接.

图1 系统结构框图

图2 主控系统电路图

2.2 液晶显示电路

显示模块采用NOKIA5110 LCD显示模块，该模块为84*48的点阵LCD，采用串行通信，接口信号线少，低电压供电，且具有掉电模式.真个模块体积小，可显示三行汉字，通过接受主控系统发出的程序命令显示相应电机的编号转速等信息.模块直接和控制模块的液晶接口连接即可.

2.3 调速驱动电路

根据直流电机的原理，其转速计算公式可表示为:n=(U－IR)/Kφ，其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数.通过公式可看出，直流电机转速和U、I有关，并且可控量只有这两个，因此要对直流电机进行速度控制可通过调节这两个量来实现，而I可以通过改变电压进行改变，因此本设计采用PWM控制也就是用来调节电压波形的方法来进行电机转速的调节［3］.

图3 数模转换电路

单片机输出的控制信号首先经过数模转换电路，转换电路如图3所示，核心器件是PCF8591，PCF8591是一种单片集成、单独供电、低功耗、8－bit CMOS数据获取器件，具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口.在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输.经过数模转换后的信号接入由LM324组成的PWM脉冲生成模块，利用LM324芯片产生PWM脉冲，通过改变占空比来调节电机的转速［4］.驱动调速电路如图4所示.

图4 调速驱动电路

3 系统软件设计

单片机软件的开发采用常用的开发工具Keil，利用C语言进行编程.主程序流程图如图5所示.系统初始化后对三个操作按键的动作进行扫描，判断按键是否按下，当加速或减速按键被按下，则调用加速和减速子程序，若按键没有动作则忽略子程序进行转速正常显示.

图5 系统主程序流程图

图6 加速子程序流程图

加速子程序流程图如图6所示.当电机转动的时候，按下加速键，出于对电机和传动装置的保护，程序首先判断电机转速是否达到设定的上限，然后再调用加速子程序，使电机每转动一步的延时时间变短，从而实现电机的加速.

减速子程序流程图如图7所示，电机转动的时候，按下减速键，程序首先判断电机是否转动，以此为依据来判断电机是否继续减速.然后再调用减速子程序，通过改变电机每转动一步的延时时间，使时间变长，从而实现电机减速.

图7 减速子程序流程图

4 结束语

该控制系统经过反复论证和实验调试，各项指标达到预期要求，所以文中所介绍控制系统的硬件和软件的设计正确可行，且该方法成本较低、易于实现、性能稳定、效率较高，具有一定的实用价值，也为单片机应用的类似设计提供了参考经验.

［1］柳亚，阳泳，胡湘娟.基于STC89C52单片机的直流电机控制设计［J］.数字技术与应用，2015(6):21.

［2］朱睿，郭盛杰.基于单片STC12C52系列直流电机调速系统［J］.山西电子技术，2015(5):3－4.

［3］庹朝永.基于单片机的直流电机PWM调速系统设计与开发［J］.煤炭技术，2011(6):62－63.

［4］李美菊.基于单片机的直流电机变速控制系统设计［J］.电子技术与软件工程，2015(12):260－263.

Microcontroller－based Multi－axis Motor Control System

ZONG Bang－feng，CAO Ji－hua
(School of Mechanical and Electronic Engineering，Suzhou University，Suzhou，234000，China)

This design is a multi－axis motor control system based on SCM.The system AT89C52RC microcontroller as the core controller，through three key number of the selected motor and control required to send to the microcontroller，the microcontroller after treatment of the corresponding control commands sent to the selected speed motor drive circuit，performed by PCF8591 speed digital to analog conversion circuit composed again by LM324 voltage generating stable pulse different duty cycles(PWM)to achieve the acceleration of the motor，gear and other control requirements.At the same time，the use of liquid crystal display all the operational information and motor speed information displayed in real time to meet a variety of multi－axis motor control requirements.

single chip microcomputer;multi－axis motor control;speed drive

TM33;TP368.12

A

1672－2590(2016)03－0086－05

2016－03－21

宿州学院产学研项目(2014cxy03);安徽省高校自然科学研究项目(KJ2015A200)

纵榜峰(1981－)，男，安徽宿州人，宿州学院机械与电子工程学院讲师.