2022年电机控制电路设计 .pdf

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1、电机控制电路设计直流无刷电动机继承了直流电机转矩大，调速性能好的优点，克服了直流电动机需转换器的缺点。在新型车速监控装置系统中采用单片机控制无刷直流电动机的设计，包括实现电动机的正/反转控制，速度控制，对无刷直流电机的运行状态进行监控和报警。（1）驱动电路的设计驱动电路以大功率驱动芯片L298 为核心8，驱动芯片能同时驱动两个直流电机。通过对六个口的控制就可以分别实现对电机正反转、加减速的控制。L298N 是 ST 公司生产的一种高电压，大电流电机驱动芯片。该芯片采用15 脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A,持续工作电流为2A，内含两个 H

2、桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电机和步进电机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N 芯片驱动电机，该芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，可以直接通过电源调整输出电压；并可以直接用单片机的I/O 口提供信号。而且电路简单，使用比较方便。驱动芯片 L298N 引脚的介绍L298N 直流电机步进电机两用驱动器特点：1、可实现电机正反转及调速。2、启动性能好，启动转矩大。3、工作电压可达

3、到36V，4A。4、可同时驱动两台直流电机。5、适合应用于机器人设计及智能小车的设计中。其引脚图如图 1。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 5 页 -图 1 L298N 引脚图L298N 的引脚 9 为 LOGIC SUPPLY VOLTAGE Vss，即逻辑供应电压，为5V 芯片电源。引脚4 为 SUPPLY VOLTAGE Vs，即驱动部分输入电压，为电机供电电源。Vss 电压要求输入最小电压为4.5V，最大可达 36V；Vs 电压最大值也是 36V，但是，Vs 电压应该比 Vss 电压高，否则有时会出现失控现象。它的引脚 2、3、13 和 14 为 L298N

4、 芯片输入到电动机的输出端，其中引脚2 和 3 能控制两相电机，对于直流电动机，即可控制一个电动机。同理，引脚13 和 14 也可控制一个直流电动机。引脚6 和 11 脚为电动机的使能接线脚。引脚 5、7、10 和 12 为单片机输入到 L298N 芯片的输入引脚。表1 是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。表 1 L298N 使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系控制使能引脚 ENA或者 ENB就可以实现 PWM 脉宽速度调整。通过控制使能端使 L298N 处于工作和不工作状态，利用PWM 产生一定频率的脉冲作用于ENA，根据脉冲占空比不同就可以得到不同的输出电压，从而达到调速目的。1脚和 1

5、5 脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号，也可以直接接地。在可设计中就将它们直接接地。引脚8 为芯片的接地引脚，它与L298N 芯片的散热片连接在一起。由于本芯片的工作电流比较大，发热量也比较大，所以在芯片的散热片上可以连接了一块铝合金，以增大它的散热面积。该芯片的一些参数如下：(1)逻辑部分输入电压：67V(2)驱动部分输入电压Vs：4.846V(3)逻辑部分工作电流Iss：36mA(4)驱动部分工作电流Io：2A(5)最大耗散功率：25W（T=75）(6)控 制 信 号 输 入 电 平：高 电 平：2.3VVin Vss，低 电 平：-名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整

6、理-第 2 页，共 5 页 -0.3VVin 1.5V(7)工作温度：-25 130(8)驱动形式：双路大功率H 桥驱动驱动电路原理图如图3.9 所示。每个电机用三个口控制，一个使能端（EN）或 PWM 输入端，控制电机的转动与停止，也能用于PWM 控制调速。也就说，对这个输入端输入一定频率的脉冲，当为高电平时，电机转动，为低电平时，电机停止转动。一定频率的脉冲，电机一段时间内转动一段时间内停止转动，但由于直流电机的惯性特性，它不会立即停下来，只要频率高于某个值，就不会感觉到电机的停滞现象，反而是一种很连续的运动。只要改变一个周期内高低电平的时间比例，就可以改变电机的速度。另外两个输入端是为了

7、控制方向，分别为In1和 In2。In1 为高电平，In2 为低电平，电机按一个方向转，In1 为低电平，In2为高电平，电机向相反方向转，如果它们同时为高电平或低电平，那么电机不转。D3 和 D4 是发光二极管，指示运动方向，与它们连接的电阻都是限流电阻。R9 和 R8 都是下拉电阻，让EnA 和 EnB 口要么是高电平，要么是低电平，避免出现电平混乱，提高对输入信号的抗干扰能力。输出端都接有0.1F 电容，加上二极管平衡电路。它们都是为了保护L298N，电机是感性负载，当给电机突然通电与断电，因为电流的瞬变，电机两端会产生瞬时高压和大电流。如果没有保护措施，L298N 就可能会被烧毁。图

8、2 直流电机驱动电路图PWM 波用来控制电机的速度14。另外二个 IO 口可以控制电机的正反转。控制方法与控制电路都比较简单。即P20、P21 控制电机的方向，PWM 控制电机的速度。由于电机在正常工作时对电源的干扰很大，只用一组电源时会影响单片机的正常工作。所以选用双电源供电。一组5V 电源给单片机和控制电路供电，另外一组 5V、12V 电源给 L298N 的+VSS、+VS 供电。在控制部分和电机驱动部分之间用光耦隔开，以免影响控制部分电源的品质。为保证L298N 驱动芯片正常工作，还要在其与直流电机之间加入两对续流二极管用以将电机中反名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3

9、页，共 5 页 -向电动势产生的电流分流到地或电源正极，以免反向电动势对L298N 产生损害。（2）转速控制电路的设计系统采用霍尔元器件测量电动机的转速，用AT 89C51 单片机对直流电机的转速进行控制，用PWM(脉宽调制)来控制直流电动机的转速。（1）转速测量原理转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。其单位为 r/min。转速的测量方法很多，由于转速是以单位时间内的转数来衡量的，因此采用霍尔元器件测量转速是较为常用的一种测量方法。霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为L、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外加磁场B，在沿 L 方向

10、的两个端面加以外电场，则有一定的电流经过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：flqVB 式中：fl洛仑磁力，q载流子电荷，V载流子运动速度，B磁感应强度。这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差UH称为霍尔电压。霍尔电压大小为：UH=RH I B/d(mV)式中：RH-霍尔常数，d-元件厚度，B-磁感应强度，I-控制电流设 KH=RH/d，则 UH=KH I B(mV)，KH 为 霍 尔 器 件 的 灵敏 系数(mV/mA/T),它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电

11、动势的大小。应注意，当电磁感应强度B 反向时，霍尔电动势也反向。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将一块永久磁钢固定在电动机的转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，故输出脉冲信号，其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。通过 5V 电源来确保工作电压正常,由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单片机的计数器T1，由 T1 测出电动机的实际转速。根据比较结果通过PWM 控制直流电机的转速。其控制原理如图3 所示。T1AT89C51直流无刷电机电机驱动电路霍尔元件霍尔脉冲信号PWM 信号名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 5 页 -图 3 直流电动机转速控制系统原理图（2）PWM 控制原理PWM 控制就是脉冲宽度调制11。通过控制电机的电压脉冲宽度，可以改变其电压有效值，从而可以改变它的转速，图4 中前半部分与后半部分波形周期一样的，通过调节其占空比（图中t H1不等于 t H2）。很明显途中前半部分的波形的电压有效值大于后半部分波形的电压有效值，即前者驱动的电机速度比后者大。图 4 PWM 波形图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 5 页 -