运动控制大作业

《运动控制》期末作业

目录

1. 题目 (2)

2. 题目分析及设计思路介绍 (2)

（1）分析 (2)

（2）可取的方案 (3)

3. 方案设计说明 (4)

4. 单元电路设计说明 (4)

（1）、单片机最小系统 (4)

（2）、输入输出设备 (5)

（3）、H桥驱动 (6)

（4）、片上PWM (7)

5. 完整电路原理分析 (7)

附录1. 单片机程序流程图 (9)

附录2. 单片机程序流程图 (10)

1. 题目

设直流电机的额定工作电压为6V，功率为3W，试设计一个可逆PWM调速驱动控制电路，能在0V、5V的方向控制电压和0——5V 的转速控制电压的作用下，使电机正转、反转、加速、减速。电路形式不限，作业具体要求如下：

1. 画出电路的系统框图，说明电路方案设计的思路、理由或依据；

2. 分单元画出各单元具体的电路图，阐述电路的工作原理，介绍电路中主要元器件的作用及其参数的确定原则或依据；

3. 画出完整的电气原理图，介绍整体电路的工作原理；

4. 如果采用了单片机，给出单片机程序的流程图和清单，说明程序的工作原理。

注：本题难度系数为1.5

2. 题目分析及设计思路介绍

（1）分析

电动机实现正反转，可以调换电源正负极和励磁电源正负极，对于永磁直流电动机，只能调换电源正负极，常见的玩具赛车中的就是这种。单片机能给某个IO高电平或低电平，但驱动电机，没有足够的驱动能力（驱动电流小，带负载能力弱），利用三极管组成H桥式电路可以解决驱动及换向的问题。

直流电机调速一般采用调电压的方式，常用的方法是PWM调速，PWM名为秒冲宽度调制，可想而知就是调节占空比，STC12C5A60S2片上集成了两个PWM模块，可以实现PWM，另外，用NE555也可以实现PWM。

（2）可取的方案

H桥式电路方案有集成的和元器件组装的。常用的H桥IC有：L298（双H桥）、L9110H（单H桥）。

PWM的方案有：STC12C5A60S2片上集成了PWM模块和NE555占空比可调电路。

NE555占空比可调电路

3. 方案设计说明

方案选择：

H桥电路选择：采用集成的H桥式芯片，相比于元器件组装的H 桥式电路，性能跟高，功耗更低，占用面积小，因此选用IC。常用的直流电机只需要单H桥就能完成转向问题，L298N的驱动电流可以达到4A，工作电压可达36V，但芯片价格相对较贵，对于一般小电机而言有点大材小用了，用L9110H同样可以实现，而且工作电压为2.5V-12V，峰值电流高达1.5A，持续电流高达0.8A，足以驱动6V 3W的直流电机，且芯片相对便宜，所以采用L9110H驱动电机。

PWM电路选择：NE555能产生占空比可调的方波，实现简单，但方波频率一般不可调（可调需添加滑动变阻器，频率调节范围也小），分立元件也多，而采用STC12C5A60S2片上集成了PWM模块，可以实现频率可调，调频范围宽，占空比可调，分辨率高，为1/256，性能可靠，实现简单，所以采用STC12C5A60S2片上集成了PWM模块。

最终采用STC12C5A60S2片上集成了PWM模块+L9110H驱动模块的方案

4. 单元电路设计说明

（1）、单片机最小系统

STC12C5A60S2有61K ROM，不需要外接ROM（没有EA），单片机

P0口不用接上拉电阻，与传统51单片机不同，STC12C5A60S2通过设置相应寄存器，可以使P0口有一定驱动能力。

STC12C5A60S2单片机最小系统

（2）、输入输出设备

输入输出设备

该设计有两种输入输出设备：按键和LED，按键可采用一般的扫描方式，也可以用中断方式，为了快速相应用户指令，选择用中断方式。然而外部中断只有两个，这里用定时器T0、T1扩展了两个下降沿外部中断，正好实现启停、正反、增速、减速的指令输入。

为了更人性化，有相应的Led做出指令提示（D1为电源指示灯，D2为启动指示灯，D3为正向运行指示灯，D4为反向运行指示灯，D5为加速指示灯，D6为减速指示灯）。

电源接通，D1亮。当按启动按钮时,D2亮，D3亮，再按一次，D2灭，D3灭，只有电机处于启动状态时，正反、增速、减速的指令输入才有效，相应LED灯才会亮；当处于启动状态，按正反转按钮，电机反转，D3灭，D4亮，再按一次D3亮，D4灭；当按增速按钮时，D5闪烁一下，表示按钮指令有效，当达到最大占空比时，再按增速按钮，D5将不会闪烁，表示已达最大占空比；同样的，减速功能类似增速功能。

（3）、H桥驱动

基于L9110H的H桥驱动电路

真值表

当IA为高电平，IB为低电平，电机正转；

当IA为低电平，IB为高电平，电机反转。

（4）、片上PWM

对于L298N有三个控制端，第三个就是使能端，只要PWM波形控制使能端，就可以控制转速，但L9110H只有两个控制端。因此，将方向控制，同速度控制相结合，即两个控制端既控制方向，又控制转速。

实现方法：在控制方向的基础上，将高电平输入端，改为PWM 波形输入，就可以控制转速；当换方向时，将控制信号交换，就可以了。与L298N的控制方法不同的是：L9110H需要两路PWM控制信号，编程相对复杂些，但控制信号线只要两个，占IO资源少。5. 完整电路原理

电路分为4部分：电源、单片机最小系统、输入输出设备、H桥驱动模块，如下图所示。

为了检测电路的可行性，将现成的电路模块连在一起，搭建上面的电路，加载程序（程序流程图及程序如附录所示），实现了上述功

能，证明了电路的可行性。

#include "STC12C5A.h" //STC12C5A60S2头文件，STC官网有下载

#include "intrins.h"

typedef unsigned char BYTE;

typedef unsigned int WORD;

sbit run_led=P0^0; //运行状态指示灯

sbit dir_for_led=P0^1; //正向运行指示灯

sbit dir_back_led=P0^2; //反向运行指示灯

sbit add_led=P0^3; //加速指示

sbit sub_led=P0^4; //减速调试

bit run_flag=0; //运行状态：0：停止 1：运行

bit dir_flag=0; //方向标识：0：正转 1：反转

void Delay20ms() //@11.0592MHz 精确延时20ms

{

unsigned char i, j, k;

_nop_();

_nop_();

i = 1;

j = 216;

k = 35;

do

{

do

{

while (--k);

} while (--j);

} while (--i);

}

void Init_PWM() //frq=11059200/12/256=3600hz P1.3:PWM0 P1.4:PWM1 {

CCON = 0; //初始化PCA控制器

CL = 0; //重置PCA时间

CH = 0;

CMOD = 0x02; // PCA时钟频率 Fosc/12

CCAP0H = CCAP0L = 0xff; //PWM0输出0%占空比电压

CCAPM0 = 0x42; //PCA 模块0 8位PWM工作方式

CCAP1H = CCAP1L = 0xff; //PWM1输出0%占空比电压

CCAPM1 = 0x42; //PCA模块1 8位PWM工作方式

CR = 1; //PCA计时开始

}

void Init_Inter()

{

IT0 = 1; // INT0下降沿

EX0 = 1; // INT0中断使能

IT1 = 1; // INT0下降沿

EX1 = 1; // INT0中断使能

}

void Init_Timer() //定时器扩展为负跳变的外部中断

{

AUXR = 0xC0; //定时器timer0/timer1 1T 模式

TMOD = 0x66; //定时器timer0/timer1 8位自动重装TL0 = TH0 = 0xff; //扩展为外部中断的关键步骤

TL1 = TH1 = 0xff;

TR0 = 1; //timer0开始

TR1 = 1; //timer1开始

ET0 = 1; // T0中断使能

ET1 = 1; //T1中断使能

}

void main()

{

Init_PWM(); //两路PWM初始化

Init_Inter(); //INT0/INT1初始化

Init_Timer(); //T0/T1初始化

EA = 1; //开全局中断使能

while (1)

{

}

}

void exint0() interrupt 0 //外部中断0 电机启停

{

EA = 0; //关总中断

run_led =run_flag;

run_flag=~run_flag;

if(!run_flag)

{

dir_flag = 0; //方向标志复位

dir_for_led=1; //正向运行指示灯复位

dir_back_led=1; //反向运行指示灯复位

CCAP0H = CCAP0L = 0xff;//占空比复位 0%

CCAP1H = CCAP1L = 0xff;//占空比复位 0%

}

else

{

dir_for_led=0; //默认为正向启动

}

Delay20ms(); //消抖

EA = 1; //开总中断

}

void t0int() interrupt 1 //T0中断电机方向转换

{

BYTE temp1,temp2;

EA = 0;

if(run_flag)

{

dir_flag=~dir_flag; //方向选择

dir_for_led =~dir_for_led; //指示灯指示

dir_back_led =~dir_back_led;

temp1=CCAP0H; //方向转换

temp2=CCAP1H;

//重新设置两路PWM，启动

CR = 0;

CCON = 0;

CL = 0;

CH = 0;

CMOD = 0x02; CCAP0H = CCAP0L = temp2;

CCAPM0 = 0x42;

CCAP1H = CCAP1L = temp1;

CCAPM1 = 0x42;

CR = 1;

}

Delay20ms(); //消抖

EA = 1;

}

void exint1() interrupt 2 //外部中断 1

{

EA = 0;

if(run_flag) //只能在运行状态下才能调速 {

if(!dir_flag) //判定运行方向

{

if(0x00!=CCAP0L) //增大占空比

{

add_led = 0;

CCAP0L -=5;

CCAP0H =CCAP0L;

}

}

else

{

if(0x00!=CCAP1L) //增大占空比

{

add_led = 0;

CCAP1L -=5;

CCAP1H =CCAP1L;

}

}

}

Delay20ms(); //消抖

add_led = 1;

EA = 1;

}

void t1int() interrupt 3 //T1中断

{

EA = 0;

if(run_flag) //同上

{

if(!dir_flag)

{

if(0xff!=CCAP0L) //减小占空比

{

sub_led = 0;

CCAP0L +=5;

CCAP0H =CCAP0L;

}

}

else

{

if(0xff!=CCAP1L) //减小占空比

{

sub_led = 0;

CCAP1L +=5;

CCAP1H =CCAP1L;

}

}

}

Delay20ms(); //消抖 sub_led = 1;

EA = 1;

}