一种基于单片机的数字多电机控制平台的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于单片机的数字多电机控制平台，包括中央处理器、通讯芯片、上位机和与中央处理器连接的电源模块一，上位机通过通讯芯片和中央处理器输入端连接，中央处理器的输出端通过光耦模块与功率放大器相连，中央处理器的输出端还接有测速传感器、振动传感器和温度传感器，功率放大器输入端接有电源模块二，功率放大器输出端与直流电动机、四相步进电机和三相反应式电机连接。本实用新型设计合理，功能灵活，操作简便，可靠性好，系统集成度较高，便于推广使用。
【专利说明】一种基于单片机的数字多电机控制平台
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电机控制领域，具体涉及一种基于单片机的数字多电机控制平台。
【背景技术】
[0002]在电气时代的今天，直流电动机、三相交流电机和四相步进电机等电机广泛应用于各种生产生活领域，据资料统计，现有90%的动力源来自于电机，电机与人们的生活息息相关。随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求原来越来高，是电机控制向着更复杂的领域发展。
[0003]电机控制是一个成熟而广泛的技术,其发展得益于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术等的最新发展成果。电机控制可分为简单控制和复杂控制两大类，简单控制是对电机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制，复杂控制是对电机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制。如何控制电机的合断、正反转已经是一个很老的话题，现在的研究更倾向于如何合理地控制电机，注重于电机工作过程的安全系数，如包括电机温度、转速、振动情况的监测，并调节为合适值，使其事故率变小，使其使用寿命延长等等方面。
[0004]直流电动机在工作过程中由于转子转动，常常会引起机器整体的振动，为了避免机器因振动过大而引起损坏常常需要用传感器对其工作性能进行监测。步进电动机因具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差等特点，非常适合用于开环位置控制系统中，其工作时转子绕组通直流励磁电流，会产生所谓的“铜损耗”;转子铁心通过的磁通虽然是直流的，但分别与定子铁心存在相对移动，定子铁心将产生“铁损耗”；定子绕组感应交流电动势后若带上负载，定子绕组将有电流通过，定子绕组也将产生“铜损耗”;转子的转轴及转动部件还存在转动摩擦，并产生“摩擦损耗”。所有的损耗都将以热量的形式出现，将使电机内部的温度升高，尤其是转子部分，散热条件较其它部件的散热条件差。电动机工作时由于各种损耗会使内部温度升高，尤其以转子的温度最为典型，这将影响发电机绝缘材料的绝缘性能，为了保证电动机的正常可靠工作，就必须对电动机转子的温度进行测量。
[0005]然而在实际系统中为满足不同的功能往往同时存在多个运动部件，常用的方法是一个独立的功能对应一个控制系统，这样虽然模块性很好，但是占用了大量的系统资源和空间，也在一定程度上降低了系统的可靠性。如在某系统中存在3个运动部件，分别为一台三相反应式步进电动机，一台直流电机和一台四相步进电动机的控制，现有技术就不能很好实现高集成度、高可靠性且简单化的控制。
实用新型内容
[0006]本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供了一种基于单片机的数字多电机控制平台。其设计合理，操作方便，电路简单，可靠性好，系统集成度高，便于推广使用。[0007]为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是:一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征在于:包括中央处理器、通讯芯片、上位机和与所述中央处理器连接的电源模块一，所述上位机通过通讯芯片和中央处理器输入端连接，所述中央处理器的输出端通过光耦模块与功率放大器相连，所述中央处理器的输出端还接有测速传感器、振动传感器和温度传感器，所述功率放大器输入端接有电源模块二，所述功率放大器输出端与直流电动机、四相步进电机和三相反应式电机连接。
[0008]上述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征在于:所述中央处理器采用C8051F020单片机。
[0009]上述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:所述通讯芯片为MAX490串口转换芯片。
[0010]上述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:所述上位机为工控台式机。
[0011]上述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:所述电源模块一为5V直流电源。
[0012]上述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:所述功率放大器为由场效应管和二极管组成的直流电机桥式驱动电路。
[0013]上述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:所述场效应管为IR公司生产的IRF840功率M0SFET。
[0014]上述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:所述电源模块二为27V电源。
[0015]上述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:所述测速传感器为ZLS-Px测转速传感器。
[0016]上述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:所述振动传感器采用CZ891发电机振动监测传感器。
[0017]本实用新型与现有技术相比具有以下优点:
[0018]1、本实用新型采用温度传感器、转速传感器和振动传感器对电机的转子温度、电机转速和机械振动进行定量的检测，并由上位机监控各个参数，使系统安全工作，可靠性闻。
[0019]2、本实用新型只用一个单片机就实现了三台电机的驱动控制，采用并行控制。由上位机软件控制单片机的I /0端口输出按一定时序的PWM波，来控制电机绕组通断电，由单片机完成步进电动机的换相，在系统资源够用的情况下，采用并行控制可以简化设计电路。
[0020]综上所述，本实用新型设计合理，功能灵活，操作简便，可靠性好，系统集成度较高，便于推广使用。
[0021]下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本实用新型的总体结构框图。
[0023]附图标记说明:[0024]1-中央处理器；2_通讯芯片；3_上位机；4_电源模块一 ；5_光I禹模块；
[0025]6-功率放大器；7-电源模块二 ；8_直流电动机；9-四相步进电机；
[0026]10-三相反应式电机；11_测速传感器；12_振动传感器；13_温度传感器。
【具体实施方式】
[0027]如图1所示，本实用新型包括中央处理器1、通讯芯片2、上位机3和与所述中央处理器I连接的电源模块一 4，所述上位机3通过通讯芯片2和中央处理器I输入端连接，所述中央处理器I的输出端通过光I禹模块5与功率放大器6相连,所述中央处理器I的输出端还接有测速传感器11、振动传感器12和温度传感器13，所述功率放大器6输入端接有电源模块二 7，所述功率放大器6输出端与直流电动机8、四相步进电机9和三相反应式电机10连接。
[0028]其中，测速传感器11为ZLS-Px测速传感器，传感器有2个正交测量信号输出能同时测量两个方向的速度，不但能觉察被测体是否停止，而且能觉察被测体的运动方向。将传感器固定在稳定的支架上能测出转动被测体的转角和转速，并且它是非接触的传感器，可测量无法接触的物体。除能测量速度外，还可以识别开机、关机和运动方向。
[0029]振动传感器12采用CZ891发电机振动监测传感器，通过螺钉安装在电机轴承座或机壳上，测量电机振动情况，用于发现电机故障时表现的振动异常。
[0030]温度传感器13安装在电机的定子附近，用于监测电机定子、转子温度，超标时通过上位机I报警。
[0031]本实施例中，所述中央处理器I采用C8051F020单片机。此单片机指令执行速度有较大的提高，峰值速度达到25 MIPS;除了4个标准的8051的端口外，还具有4个附加端口，共64个通用I /0端口 ；所有I /0端口均可配置为漏极开路或推挽输出，进一步向低功耗应用发展；引入数字交叉开关，允许用户自行组合通用I /0端口和所需的数字资源；具有两个串行UART接口，5个16位通用定时器，5个比较捕捉模块；具有片内看门狗、片内温度传感器和片内VDD监视器，使用时几乎无需外扩；可通过JTAG接口实现软件在线调试功能。C8051F020单片机以其在执行速度、系统资源等方面的明显优势，成为本多电机控制系统非常理想的选择。
[0032]本实施例中，所述通讯芯片2为MAX490串口转换芯片。根据与上位机的通讯协议，通讯接口采用标准双向差分RS- 422串口通讯，工作电压为5 V，波特率为38400 bit /s.C8051F020系列MCU内部有两个增强型全双工UART，通讯协议为RS - 232，工作电压也为5 V。因此选用了 MAX490器件，MAX490芯片可以很方便地将上位机的RS422差分信号转为单片机的串口信号。
[0033]本实施例中，所述上位机3为工控台式机，采用嵌入式硬件平台和Iinux (或uClinux)操作系统，配合自主产权的嵌入式组态软件，为客户提供了一种功能更强大、系统成本更低、可靠性更强的选择。包括彩色触摸屏显示(5.7-12.1英寸)、以太网络接口及两个串行通信接口、8路模拟量输入、4路开关量输出、内置MIC和小型扬声器等外围设备，相当于一台特制的、小型化的个人计算机，功能上更强大，更适合工业、商业环境下应用。一体化设计保证整体可靠性，不存在一般计算机配件损坏、维护的问题。
[0034]本实施例中，所述电源模块一 4为5V直流电源，所述电源模块二 7为27V电源，采用多路输出的交流变换直流电路。电源设计过程中为防止各种电源之间互相干扰，尤其是模拟大电源对数字电路部分产生噪声影响，充分考虑了电源滤波的需求。在电路设计时，对供电电源做滤波处理，对控制信号做光电隔离处理。对输入电源使用单独接插件和单独电源滤波器。对信号的输入和大功率的输出，也分别使用接插件进行物理隔离。电机运转时最大瞬时电流可高达2A。为减少大功率输出对数字电路产生影响，在设计时，采取有效的抗干扰措施，如将大功率输出信号与数字信号采取有效光电隔离。
[0035]本实施例中，所述功率放大器6为由场效应管和二极管组成的直流电机桥式驱动电路，场效应管为IR公司生产的IRF840功率M0SFET。单片机输出信号为3.3 V TTL电平，这对电机来说驱动力不够，因此采用场效应管经功率放大电路后，用来驱动电机。本系统步进电动机的驱动采用了单电压驱动方式，采用桥式电路，这种桥式电路非常适合用来做数字控制，只需单片机按照一定的逻辑和时序控制开关管的开通关断，就能实现直流电机的正反转，也能调节电机绕组通电的占空比，从而达到改变电机转速的目的。系统要求的电机运转速度较低，不考虑高频带载能力，为解决共振问题，采用PWM波对电机供电，通过改变电机的共振点来达到减小振动的目的。
[0036]实际使用过程中，直流电动机8、四相步进电机9和三相反应式电机10启动工作时，测速传感器11、振动传感器12和温度传感器13分别采集各个电机的转速、振动和温度信号，传输给中央处理器I分析，并由中央处理器I以通信电缆传输给上位机3，工作人员在上位机3上实时监控各个电机运行数据，当有任意一个参数出现异常，就可操作相应控件设置参数值，控制单片机按照一定的逻辑和时序控制光耦模块5与功率放大器6工作，最终控制各个电机的正反转、调转角、调速、调温、调振动和开关。通过改写上位机3软件，可直接用于其它电机的驱动，实现一控多的目的。
[0037]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
【权利要求】
1.一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:包括中央处理器(I)、通讯芯片(2)、上位机(3)和与所述中央处理器(I)连接的电源模块一(4)，所述上位机(3)通过通讯芯片(2 )和中央处理器(I)输入端连接，所述中央处理器(I)的输出端通过光耦模块(5 )与功率放大器(6)相连，所述中央处理器(I)的输出端还接有测速传感器(11)、振动传感器(12 )和温度传感器(13 )，所述功率放大器(6 )输入端接有电源模块二( 7 )，所述功率放大器(6)输出端与直流电动机(8)、四相步进电机(9)和三相反应式电机(10)连接。
2.按照权利要求1所述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:所述中央处理器(I)采用C8051F020单片机。
3.按照权利要求1所述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:所述通讯芯片(2)为MAX490串口转换芯片。
4.按照权利要求1所述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:所述上位机(3)为工控台式机。
5.按照权利要求1所述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:所述电源模块一(4)为5V直流电源。
6.按照权利要求1所述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:所述功率放大器(6)为由场效应管和二极管组成的直流电机桥式驱动电路。
7.按照权利要求6所述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:所述场效应管为IR公司生产的IRF840功率MOSFET。
8.按照权利要求1所述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:所述电源模块二(7)为27V电源。
9.按照权利要求1所述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:所述所述测速传感器(11)为ZLS-Px测转速传感器。
10.按照权利要求1所述的一种基于单片机的数字多电机控制平台，其特征是:所述振动传感器(12)采用CZ891发电机振动监测传感器。
【文档编号】H02P5/60GK203537285SQ201320680173
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】马建峰 申请人:江苏海事职业技术学院