CN203340011U - 基于pwm的远程闭环直流电机速度控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于PWM的远程闭环直流电机速度控制系统，由单片机、触发信号放大电路、功率输出电路、电机负载及其保护电路，电压采样及其滤波电路、过压保护电路、电流采样分流器、电流信号放大及调零电路、基于光电编码器的速度检测电路以及串行CAN转换电路组成，单片机采用ATmega48单片机，其PWM输出端经触发信号放大电路、功率输出电路和电机负载及其保护电路后分为两路，一路输接至单片机的A/D模拟输入端，另一路输接至单片机的定时器输入端。具有运算响应速度块、不占用CPU的软件运行资源、可实现远距离联网和多机控制并能适应快速调节电机功率变化需要等优点。

Description

基于PWM的远程闭环直流电机速度控制系统

技术领域

本实用新型属于电机控制系统技术领域，涉及一种基于PWM(Pulse Width Modulator)的远程闭环直流电机速度控制系统，产品适用于小型直流电机负载的无级调速控制和小车远程运行速度的自动控制。

背景技术

目前本领域用于控制直流电机的装置系统采用的是主要以8051系列单片机制成的产品，其硬件电路的结构复杂，运算速度和响应速度较低，程序代码较多，需要占用CPU的软件运行资源，传输距离较近，不能适应快速调节电机功率变化的需要，也不能实现远距离联网和多机控制。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种硬件电路结构简单、运算速度和响应速度块、不占用CPU的软件运行资源、可实现远距离联网和多机控制并能适应快速调节电机功率变化需要的基于PWM的远程闭环直流电机速度控制系统。

为实现上述发明目的而采用的技术解决方案是这样的：所提供的基于PWM的远程闭环直流电机速度控制系统由单片机、触发信号放大电路、功率输出电路、电机负载及其保护电路，电压采样及其滤波电路、过压保护电路、电流采样分流器、电流信号放大及调零电路、基于光电编码器的速度检测电路以及串行CAN转换电路组成，所说的单片机采用内具有PWM输出、A/D转换器和定时器电路的ATmega48单片机，其PWM输出端依次经触发信号放大电路、功率输出电路和电机负载及其保护电路后分为两路，一路依次经电压采样及其滤波电路和过压保护电路后输接至单片机的A/D模拟输入端，另一路依次经电流采样分流器和电流信号放大及调零电路后输接至单片机的定时器输入端；速度检测电路及串行CAN转换电路的输入端分别与单片机的速度检测输出端及CAN转换输出端相连接。

上述远程闭环直流电机速度控制系统中，所说的触发信号放大电路采用高速运算放大器TL084作为功率输出电路的输入控制。

上述远程闭环直流电机速度控制系统中，所说的功率输出电路采用场效应管放大电路，实现电机输出信号与控制系统的电气隔离，为电机提供使用的大功率电源。

上述远程闭环直流电机速度控制系统中，所说的串行CAN转换电路为82C250转换电路。

本实用新型是一种利用AVR系列ATmega48单片机的内部PWM硬件资源而设计的直流电机速度控制系统。ATmega48单片机是一个8位CPU，它运行速度高，内部有32个通用寄存器都可以作为运算器。将ATmega48单片机用于PWM控制核心，充分利用其内部资源PWM发生器和10位A/D转换器，简化了硬件电路，节省了材料，满足单片机能够快速适应调节功率变化的需要。与目前大量文献资料介绍的类似电路采用8051系列单片机制成的产品相比，使用相同的晶振频率，ATmega48单片机的运算速度提高12倍，程序代码减少、也提高了运行速度，其内部包含有6路PWM发生器，可以选择自动产生8、9或10位分辨率的脉宽调制波；与8051系列单片机用程序模拟方式相比，本实用新型的响应速度快，不占用CPU的软件运行资源。

由于本实用新型采用单片机的内部有8路10位分辨率的A/D转换器，这给系统闭环测量电压、电流、温度等信号的监测提供了方便，可以在线测量电机的电压和电流，使操作者及时了解电机负载的变化情况。本系统利用测量负载两端的电压来计算负载压差，可以适应高电压检测，在驱动输出功率管的输出端利用电流采样分流器采集输出电流信号，因为一般电机工作时电流较大，在信号采样时要尽量降低其自身功耗，电路中保证其最大电压信号不大于50mV，所以在电流采样电路中设计了电流信号放大及调零电路，它把微小信号放大到单片机A/D的基准电压相等，PWM波控制输出电流是脉动的，所以在采样电路中增加了滤波环节以便给A/D的输入口提供平稳的信号，减少脉冲的影响，为防止信号过压而设置了保护电路。

本实用新型在功率输出环节中将HM3710场效应管用于功率驱动，它在正常导通的输出电流达57A时只有23mΩ的导通电阻，将这种大电流、低导通电阻应用到系统当中，降低了功率管的自身功率消耗，简化了散热装置。

该控制系统中利用高速运算放大器TL084作为触发信号放大电路，它允许的输出速度高、成本低，经实际测试的上升速率为8V/uS，可以满足输出脉宽频率约10K时的速率要求。

该控制系统采用闭环测量光电编码器的转速，使得电机速度不断与设定值比较，在负载变化时稳定电机转速。

该控制系统中配置标准CAN数据接口，使用串行汽车总线CAN协议，串行CAN转换电路采用82C250转换电路，由于它的传输信号为mV级，具有很好的抗干扰能力，它允许在一对传输总线上并接多个控制分机，并且在传输距离达到10km的情况下，允许最高传输速率达到1Mbps，使得系统有很高的响应速度，可以实现远距离高速数字控制。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构框图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型内容做进一步说明，但本实用新型的实际制作结构并不仅限于下述的实施例。

参见附图，本实用新型所述的基于PWM的远程闭环直流电机速度控制系统包括单片机1、数据存储器2、触发信号放大电路3、功率输出电路4、电机负载及其保护电路5、电压采样及其滤波电路6、过压保护电路7、电流采样分流器8、电流信号放大及调零电路9、速度检测电路10、串行CAN转换电路11、稳压电源电路12。单片机1采用内具有PWM输出、A/D转换器和定时器电路的ATmega48单片机，其PWM输出端依次经触发信号放大电路3、功率输出电路4和电机负载及其保护电路5后分为两路，一路依次经电压采样及其滤波电路6和过压保护电路7后输接至ATmega48单片机的A/D模拟输入端，另一路则依次经电流采样分流器8和电流信号放大及调零电路9后输接至ATmega48单片机的定时器输入端。速度检测电路10及串行CAN转换电路11的输入端分别与单片机1的速度检测输出端及CAN转换输出端相连接。具体实施结构中，数据存储器2采用24C256，触发信号放大电路3采用高速运算放大器TL084作为场效应管的输入控制，克服了场效应管输入电容对其快速导通或关闭的影响；功率输出电路4采用HM3710场效应管放大电路，实现电机输出信号与控制系统的电气隔离，为电机提供使用的大功率电源；电机负载及其保护电路5可采用直流电机，并利用续流二极管进行保护；电压采样及其滤波电路6可采用型号为Tl084的高速运算放大器进行搭建有缘滤波电路；过压保护电路7可采用由三极管加分流电阻组成的电路；电流采样分流器88可采用电流互感器进行提取；电流信号放大及调零电路9可采用采样电阻将电流信号转换成电压信号，并利用Op27对其进行放大及调零；速度检测电路10可采用编码器进行测量，及时将电机运转速度反馈回上位机；串行CAN转换电路11采用82C250转换电路；稳压电源电路12可采用数字开关电源为整套系统进行供电，并利用7805进行电源转换。实际工作中，该远程闭环直流电机速度控制系统采用嵌入式单片机实现自动控制，利用其内部丰富的硬件资源，PWM模块、A/D转换器和串行数据接口就可以很方便的实现对直流电机的远程闭环速度控制；利用低功耗的场效应开关三极管，可以允许通过电流较大、器件体积与功耗变小、可靠性高，闭环控制可以使电动机在负载变化时转速精度可达到较高的水平，利用CAN数据串行接口及串行CAN转换电路，采用了CAN串行通讯系统，添加了其多机通讯功能与其它设备的兼容性，可以实现远距离联网或实现多机控制。

Claims (4)

1.一种基于PWM的远程闭环直流电机速度控制系统，其特征在于：它由单片机(1)、触发信号放大电路(3)、功率输出电路(4)、电机负载及其保护电路(5)、电压采样及其滤波电路(6)、过压保护电路(7)、电流采样分流器(8)、电流信号放大及调零电路(9)、基于光电编码器的速度检测电路(10)以及串行CAN转换电路(11)组成，所说的单片机(1)采用内具有PWM输出、A/D转换器和定时器电路的ATmega48单片机，其PWM输出端依次经触发信号放大电路(3)、功率输出电路(4)和电机负载及其保护电路(5)后分为两路，一路依次经电压采样及其滤波电路(6)和过压保护电路(7)后输接至单片机(1)的A/D模拟输入端，另一路依次经电流采样分流器(8)和电流信号放大及调零电路(9)后输接至单片机(1)的定时器输入端；速度检测电路(10)及串行CAN转换电路(11)的输入端分别与单片机(1)的速度检测输出端及CAN转换输出端相连接。

2.根据权利要求1所述的基于PWM的远程闭环直流电机速度控制系统，其特征在于所说的触发信号放大电路(3)采用高速运算放大器TL084作为功率输出电路(4)的输入控制。

3.根据权利要求1所述的基于PWM的远程闭环直流电机速度控制系统，其特征在于所说的功率输出电路(4)采用场效应管放大电路。

4.根据权利要求1所述的基于PWM的远程闭环直流电机速度控制系统，其特征在于所说的串行CAN转换电路(11)为82C250转换电路。

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