长春工业大学本科毕业设计（论文）
3.2电机模块
1、电机驱动芯片与驱动电路
L298N是SGS公司的产品，如图3-4比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部包含4个通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。 L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，4脚VS接电源电压，VSS可接4．5～7 V电压。VS电压范围VIH为＋2．5～46 V。输出电流可达2．5 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，通过不同的输入信号，从而完成电机驱动。如图3-5所示。
图3-4 L298N驱动芯片
图3-5 L298N驱动电路
2、直流电机的调速
本设计采用PWM控制调速方法，PWM(Pulse Width Modulation)控制就是指保持开关周期T不变，调节开关导通时间T对脉冲的宽度进行调制的技术。
PWM控制技术在晶闸管时代就已经产生，但是最初为了使晶闸管通断要付出很大的代价，因而难以得到广泛应用。以IGBT、功率MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善，给PWM控制技术提供了强大的物质基础,推动这项技术的迅猛
12
长春工业大学本科毕业设计（论文）
发展。对于直流电机，采用PWM控制技术构成的无级调速系统，起停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点[27]。
单片机控制的PWM直流电机调速系统主要功能包括：实现对直流电机的加速、减速和正传、反转以及启动、停止的控制，能够很方便的实现电机智能控制。
调速系统的主体电路是直流电机PWM控制模块。这部分主要由AT89S51单片机的定时计数器、I/O端口、外部中断扩展等来控制直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转，并且可以调整电机的转速，可以便捷的实现直流电机的智能控制。
该系统是通过AT89S51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机的工作。该单片机控制的PWM直流电机调速系统主要是有以下几个电路模块组成：
输入模块：这部分主要是利用带中断的独立键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和启动、停止控制。
控制模块：主要由AT89S51单片机的外部扩展电路组成。直流电机PWM控制实现部分主要由一些二极管、电机和L298驱动芯片组成。
测速显示模块：通过霍尔传感器CS3020和LED数码显示，实现对直流电机转速的实时显示。
（1）直流电机的调速原理
直流电机结构多样，但不论什么样的直流电机都由定子和转子组成。其中定子由主磁极、换向磁极、机座等几部分组成：转子主要由：电枢铁心、电枢绕组、换向器等组成[28]。
直流电机按励磁方式的不同可分为：他励、并励、串励、复励电机四种。不同励磁方式，直流电机的机械特性曲线也不同。
改变电枢电阻、电枢电压和励磁磁通中的任何一个都可以使转速发生变化，所以直流电机调速方法有三种：
改变电枢电阻、改变电枢电压和改变励磁磁通。但是改变电枢电压调速可以实现平滑的无级调速，且调速稳定，调速范围大等优点。所以我们采用改变电枢电压来进行调速。
（2）直流电机PWM调速原理
PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或控制电压脉冲的宽度和周期以达到变压变频目的的一种控制技术。
下面简述一下PWM调速系统的工作原理。如图3-6所示为PWM调速系统
13
长春工业大学本科毕业设计（论文）
的工作原理电路及其输出波形。
图3-6 PWM调速系统的工作原理电路及其波形
假设V1先导通T1秒，然后又关断T2秒，如此反复进行，可得到以上（b）的波形图，可以得到电机电枢端的平均电压Ua=T1Ud/T。如果a=T1/T，a可以定义为占空比。假设输入电压Ud不便，a越大，则电机电压Ua越大，反之也成立。所以改变a就可以达到调压目的。 改变a有三种方法：
第一种就是T1保持不变，使得T2在0到无穷之间变化，这叫定宽调频法； 第二种就是T2不变，使得T1在0到无穷之间变化，这叫调宽调频法； 第三种就是T保持一定，使得T1在0到T之间变化，这叫定频调宽法。 本设计采用的是定频调宽法，电动机在运转时比较稳定，并且在产生PWM脉冲实现上更方便。
本系统中通过控制51单片机的定时器的初值，从而可以实现P输出口输出不同占空比的脉冲波形。定时计数器若干时间（比如0.1ms）中断一次, 就使P产生一个高电平或低电平。将直流电机的速度分为100个等级, 因此一个周期就有个100脉冲, 周期为100个脉冲的时间。速度等级对应一个周期的高电平脉冲的个数。占空比为高电平脉冲个数占一个周期总脉冲个数的百分数。一个周期加在电机两端的电压为脉冲高电压乘以占空比。占空比越大, 加在电机两端的电压越大, 电机转动越快。电机的平均速度等于在一定的占空比下电机的最大速度乘以占空比。当我改变占空比时, 就可以得到不同的电机平均速度, 从而达到调速的目的。精确地讲, 平均速度与占空比并不是严格的线性关系, 在一般的应用中, 可以将其近似地看成线性关系。
（3）霍尔效应和原理简介
霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差[29]。霍尔效应原理图如图3-7所示。
14
长春工业大学本科毕业设计（论文）
图3-7 霍尔效应原理图
因为运动中的电荷受到磁场洛伦兹力的作用而产生霍尔效应。霍尔电势Un见公式：Un=RnIB/d
Rn---材料的霍尔常数 I---控制电流 B---磁感应强度 d---元件的厚度
令：Kn=Rn/d，则得到：Un=KnIB，由此可以看出霍尔电势的大小取决于控制电流I和磁感应强度B，Kn叫做霍尔灵敏度，与元件材料性质和几何尺寸有关。
（4）测速传感器的选择
本设计主要采用霍尔元件作为测速传感器。CS3020是CS系列的霍尔传感器常用的一种，它是由电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大电路，施密特触发器及集电极开路的输出级组成磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出为电压。外形如图3-8所示。
图3-8 CS3020
15
长春工业大学本科毕业设计（论文）
表3-1 CS3020的电特性
3.3舵机模块
舵机有一个三线的接口。黑色（或棕色）的线是接地线，红色线接单片机最小系统的+5V电压，黄线（或是白色或橙色）接单片机最小系统的控制信号端。控制信号是一种脉宽调制（PWM）信号，凡是微控制器能轻松的产生这种信号。脉冲的高电平持续1到2毫秒（ms），也就是1000到2000微秒(μs)。在1000μs时，舵机向左打满舵。在2000μs时，向右打满舵。但是我们可以通过调整脉宽来实现更大或者更小范围内的运动。舵机内部电路如图3-9所示。
图3-9 舵机内部电路
16