51单片机直流电机控制系统设计+仿真效果图+源代码(4)
图3 直流电机控制部分电路图
3.3 电机驱动电路设计
L298为双H高电压大电流功率集成电路,直接采用TTL逻辑电平控制。可以驱动继电器、直流电动机、步迸电动机等电感性负载。其内部有两个完全相同的功率放大回路。其引脚接线图如图4所示。
Vcc接+5V电源；Vs作为直流电机的驱动电源，最高电压可达50V。INl、IN2口可
输入标准逻辑电平，对A桥的OUTl、OUT2输出口进行控制；IN3、IN4口可输入标准逻辑电平，对B桥的OUT3、OUT4输出口进行控制；ENA、ENB分别为A桥与B桥的使能端。SENSA、SENSB需接电流检测电阻，以便引出电流反馈信号；不需要反馈时，引脚接地。当使能端为高电平时，输入端IN1(IN31为PWM信号，IN2(IN4)为低电平信号时，电机正转；输入端IN3为低电平信号,IN2(IN4)为PWM信号时，电机反转；INl(IN3)与IN2(IN4)相同时，电机快速停止。当使能端为低电平时，电动机停止转动[8]。
图4 直流电机驱动电路图
3.4 电机转速测量电路设计
3.4.1 霍尔传感器测量原理
测量电机转速首先就是要将电机的转速表示为单片机可识别的脉冲信号，这样就可以进行脉冲计数。霍尔传感器具有结构牢固，体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点[9] 。当电机转时，传感器会产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后输入到脉冲计数装置，进行转速的测量。在实际的使用中，一般需要一个铁质的测速齿轮，齿厚大于2 mm即可，将之固定在待测转速的轴上[10]。
目前工业上对电机的测速大多使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构较为简单，只需在电机转轴的圆周上粘上磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有脉冲信号输出，当转轴旋转时，就会不断地有脉冲信号输出。要想使测量更加精确，可在转轴上多放几粒磁钢。霍尔传感器对磁场方向比较敏感，所以在粘磁钢时要注意。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。
3.4.2 转速测量原理
测量转速的霍尔传感器从永磁直流电机外壳检测转速信号，机轴每转1 周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路输出。成为转数计数器的计数脉冲。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值[4]。
3.4.3 转速测量方法
电机转速的检测方法主要有: T 法( 测周期法) 、M法( 测频率法) 和M/T 法( 频率/周期法) 。T 法需要捕捉相邻两个转速脉冲信号时间大小，适合于低速测量且对传感器的要求较高; M/T 法则要求同时测电机转速的频率和周期，虽然在高速和低速都具有较高的精度，但较为复杂; 故本文采用测频法，即在单位时间内检测转速脉冲信号的个数。但由于检测起止时间的随机性，M 法在极端的条件下会有1 ～ 2 个转速脉冲的误差。因此在电机转轴上贴多片磁钢，再将单位时间内所测得脉冲个数按磁钢个数取平均值，可消除一定的误差，进一步提高精度[9]。
3.5 电机转速显示及报警电路设计
3.5.1 显示方案的选择
生活中常见的显示设备有数码管、点阵屏、液晶屏等，可以根据不同的需要来选择适当的器件进行显示。数码管显示清晰且易观察，但是功耗大，从节能的角度来考虑可以排除用数码管显示；本次设计是为工程需要或是玩具产品开发，用点阵显示达不到实际效果。综合多方面考虑，本次设计采用LCD1602进行速度显示，LCD1602具有功耗低、显示清晰、外形美观等特点，不仅工程上使用方便，且在玩具产品开发上使产品更加美观，从而提高产品利润。另外，系统中有不同颜色的LED灯，能提示当前电机的状态（启动、正转、反转）。