【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

前言

一般有关直流有刷电机的仿真都是直接高低电平驱动,或者ULN2003,这种电路是只能驱动小电压小功率的电机的,如果碰到电压稍高一些,电流大一些的电机,2003驱动是驱动不起来的,这时候对于大电流的电机,一般就是MOS管或者IGBT,相对来说,NMOS是经济实用之选,本节就带领大家使用单片机,搭建H桥驱动电路来驱动一个24V的直流有刷电机。整个程序我会附在最后。

先附上完整的仿真电路图一张,再逐个讲解:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

要想使用H桥,就得需要一个半桥驱动芯片,当然,在市面上的各种驱动芯片应有尽有,半桥驱动芯片,三相桥集成驱动芯片等等,但在protues中,我只找到一款IR2101驱动,这是一款高压驱动芯片,24V算是低压的,不过也没关系了,只能用这个,仿真应该是可以的。

首先就是绘制H桥驱动电路:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

这是我绘制的H桥驱动电路,这个电路在驱动原理上是没有什么问题的,我做了简化,真实的驱动电路中还需要加入一些其他的电路以及二极管,如图:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

这个二极管的作用更大一些。

G极电阻并联二极管的作用:

因为MOS管内部都是有极间电容的,也就是说,在MOS的G极与S极之间有电容,也就是说,G极出来的这个电阻与GS极间电容形成一个RC充放电电路:如图:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

调节这个电阻就可以调节MOS输出的PWM由低电平到高电平的上升时间,上升实际太长或太短都不太好,根据实际情况选择电阻。

而PWM由高变低时的下降时间,同样时间常数也是由这个RC共同决定的,因此如果在G极电阻上并联一个二极管,放电的时候直接经过这个二极管把电流放出去,那么下降时间就会比较快。

当然,这个看你想不想加,想加的话按照图上自己添加即可。

这里需要提一下超过5V的电源怎么添加:

1.首先在图中的位置选中电源添加一个电源:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

2.随后双击电源,修改电压,一定要有“+”号:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

然后就是驱动芯片电路了:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

驱动信号的左边HIN与LIN也就是控制驱动芯片输出的两个输入信号了,也就是接入单片机,单片机输出是5V信号,而且电流小,是不可以直接驱动MOS管的,驱动芯片的作用实际就是增压扩流的作用,驱动芯片右边的HO也就是跟HIN的输入信号波形一致,但是是12V的,而且电流比较大,LO也是同样的。

当然,大家应该也都看到了那个C1,C2电容,这两个电容是半桥驱动的精髓,重中之重,没有这个电容,半桥是无法工作的,如图:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

这两个电容俗称自举电容,或泵电容。这个不是某种特殊电容,而是按照功能给它起的名字,因为这个电容会把电压抬升上来,就像水泵一样,随意叫泵电容,驱动芯片的供电是12V,H桥的电压是24V,C1这个泵电容与D1这个二极管结合,会把电压抬升到36V,这就牵涉到另外一个知识点:为什么H桥上管的PWM不能发100%占空比。

有关自举电容或泵电容的详细解释,请自行百度,百度的解释肯定比我的解释要专业得多,电路这部分内容展开就没边了。只需要记住这个自举电容与它旁边的二极管比较重要即可,没有这两个,有可能电机也可以转,但电机是转不好的,稍后我们测试一下。

然后我们来测试一下,电路行不行,按照电机驱动的原理:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

按照上图的驱动原理,Q5发送PWM控制电流,Q7,Q6关闭,Q8打开,让电流经过Q5,电机,从Q8回到负极,电机就可以正转了,如此的话,反转也是一样的道理,Q6发PWM,Q5,Q8关闭,Q7打开,那么电机就会反转了,我们先不写程序,使用proteus自带的脉冲模块来试一下:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

此时电机旋转如图:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

GIF看不清楚转速,我就截图了,最后转速是在600转左右:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

如果我们把那个自举电容去掉呢?如图:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

最后电机只能到200转,差距还是很大的。

现在我们是使用的proteus自带的脉冲模块来控制的电机,接下来就要使用单片机来控制了。因为proteus里没有东西能够测量直流电机的实际转速,所以也就只能开环控制,只能调节占空比了。因此我们使用LCD1602来显示当前的占空比,对于LCD1602的驱动说明,还有我的LCD1602源码,可以查看之前的文章:https://www.icxbk.com/article/detail/1067.html 这里就不在赘述了。

然后我们整理一下单片机发送PWM的思路,由于51单片机是没有单独的PWM模块的,因此只能使用IO口来模拟PWM,如果要控制精确一些,就需要定时器的配合,因此,我们需要选用一个定时器来计时,然后在定时器中断中自加一个变量,然后用那个变量来确定IO口发多长时间的高电平,多长时间的低电平。我们先确定控制MOS的引脚,程序中也先声明一下:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

我们就先发送50%占空比,按照之前的思路,程序如下:

#include <reg52.h>
#include "1602.h"
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit leftH = P1^3;
sbit leftL = P1^4;
sbit rightH = P1^5;
sbit rightL = P1^6;
uint counter = 0;  //定时器计数
uint pulse = 0;   //占空比值
/@@*中断初始化*/
void irq_init(void)
{
    TMOD = 0x01; //T    模式1,十六位计数器
    TL0 = (65535-500)/256;    
    TH0 = (65535-500)%256; 
    ET0 = 1;     //允许TO中断
    TR0 = 1;    //关闭T0
  EA = 1;            //允许总中断
}
void main()
{
    irq_init();  //中断初始化
    while(1)
    {
        pulse = 50;
    }
}
/@@*********************************************************/
// 定时器0中断服务程序.
/@@*********************************************************/
void timer0 () interrupt 1 
{        
    TH0  = (65535-500)/256;  //500us
    TL0  = (65535-500)%256;  //500us
    counter ++;  //计数值自加
    if(counter >= 100)
        counter = 0;
    if(counter < pulse)
    {
        leftH = 1;
        leftL = 0;
        rightH = 0;
        rightL = 1;
    }
    else
    {
        leftH = 0;
        leftL = 0;
        rightH = 0;
        rightL = 1;        
    }
}

我们来看上面程序,定时器定时500us进入一次中断,然后counter进行自加计数,计数达到100时清零,当counter小于我们设定的pulse时,leftH就发送高电平,反之则是低电平,这样就相当于是STM32的PWM1模式了,在主函数的while循环中,设定pulse占空比为50,50/100也就是50%占空比。

然后我们仿真一下,这时候报错了:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

没关系,这个是proteus软件参数没有设置对,最小电导Minimum conductance设置得太小了,改一下即可:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

选择System->Set Animation Options 我这里是Proteus8.6,也就是倒数第三个:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

然后点SPICE Options:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

就是这个GMIN出了问题,我这里是1e-012,把这个修改成1e-05就好了,就是把这个数增大点:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

然后开始运行,可以看到电机已经可以转起来了,说明我们的PWM起作用了。

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

然后我们把占空比显示在LCD上,程序如下:

/@@*显示函数*/
void display(void)
{
    char str[20];
    sprintf((char *)str,"Pulse:%d",pulse);
    print_string(str,1);
}
void main(void)
{
    irq_init();  //中断初始化
    lcd_init();  //LCD初始化
    while(1)
    {
        pulse = 50;
        display();
    }
}

效果如图:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

然后,我们这个功能不完善,因为只能在程序上调占空比,至少要有两个按键来加减速的,因此,我们在电路上再加入两个按键:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

然后把按键检测的程序写上:

sbit key1 = P3^0;  //加速
sbit key2 = P3^1;  //减速
uint key_result = 0;  //保存按键结果
void key_delay(uchar t)
{ 
    int j;  
    for(;t!=0; t--)  
         for (j=0;j<255;j++);  
}
/@@*按键检测  如果按键1被按下就返回1 
如果按键2被按下就返回2  如果没有按键按下就返回0*/
uint key_scan(void)
{
    uint result = 0;
    /@@*先将按键电平拉高*/
    key1 = 1;
    key2 = 1;
    /@@*检测按键1是否被按下*/
    if(key1 == 0)
    {
        key_delay(5);
        if(key1 == 0)
        {
            result = 1;
        }
    }
    /@@*检测按键2是否被按下*/
    if(key2 == 0)
    {
        key_delay(5);
        if(key2 == 0)
        {
            result = 2;
        }
    }    
    return result; 
}

上面程序中,如果没有按键按下,就会返回0,按键1按下就会返回1,按键2按下就会返回2。然后我们在根据返回值来修改占空比即可,此时主函数修改如下:

void main(void)
{
    irq_init();  //中断初始化
    lcd_init();  //LCD初始化
    while(1)
    {
        display();
        key_result = key_scan();
        /@@*按键1按下则占空比增加*/
        if(key_result == 1)
        {
            pulse = pulse + 10;
            if(pulse > 99)
                pulse = 99;
        }
        /@@*按键2按下则占空比减少*/
        else if(key_result == 2)
        {
            pulse = pulse - 10;
            if(pulse < 0)
                pulse = 0;
        }
    }
}

由于我在仿真中使用的是带惯性负载的电机,因此电机转速变化会比较慢,最后放一个综合起来的效果图:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

本篇就只做了电机正转的程序,反转举一反三即可,改动不大,而且本篇对于电源部分的降压电路,24V转12V,12V转5V并没有画出,这一点注意。

我的工程目录如图:

【Proteus】单片机H桥驱动24V直流有刷电机

关于1602的驱动程序,在之前的文章已经贴上的所有程序。链接:【Proteus】单片机配合矩阵键盘LCD1602制作简易计算器 - 知乎

因此,这个工程我就只贴主文件的程序了。

main.c程序如下:

#include <reg52.h>
#include "1602.h"
#include <stdio.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit leftH = P1^3;
sbit leftL = P1^4;
sbit rightH = P1^5;
sbit rightL = P1^6;
sbit key1 = P3^0;  //加速
sbit key2 = P3^1;  //减速
uint counter = 0;  //定时器计数
uint pulse = 0;   //占空比值
uint key_result = 0;  //保存按键结果
void key_delay(uchar t)
{ 
    int j;  
    for(;t!=0; t--)  
         for (j=0;j<255;j++);  
}
/@@*按键检测  如果按键1被按下就返回1 
如果按键2被按下就返回2  如果没有按键按下就返回0*/
uint key_scan(void)
{
    uint result = 0;
    /@@*先将按键电平拉高*/
    key1 = 1;
    key2 = 1;
    /@@*检测按键1是否被按下*/
    if(key1 == 0)
    {
        key_delay(5);
        if(key1 == 0)
        {
            result = 1;
        }
    }
    /@@*检测按键2是否被按下*/
    if(key2 == 0)
    {
        key_delay(5);
        if(key2 == 0)
        {
            result = 2;
        }
    }    
    return result; 
}
/@@*中断初始化*/
void irq_init(void)
{
    TMOD = 0x01; //T    模式1,十六位计数器
    TL0 = (65535-500)/256;    
    TH0 = (65535-500)%256; 
    ET0 = 1;     //允许TO中断
    TR0 = 1;    //关闭T0
  EA = 1;            //允许总中断wmen
}
/@@*显示函数*/
void display(void)
{
    char str[20];
    sprintf((char *)str,"Pulse:%d",pulse);
    print_string(str,1);
}
void main(void)
{
    irq_init();  //中断初始化
    lcd_init();  //LCD初始化
    while(1)
    {
        display();
        key_result = key_scan();
        /@@*按键1按下则占空比增加*/
        if(key_result == 1)
        {
            pulse = pulse + 10;
            if(pulse > 99)
                pulse = 99;
        }
        /@@*按键2按下则占空比减少*/
        else if(key_result == 2)
        {
            pulse = pulse - 10;
            if(pulse < 0)
                pulse = 0;
        }
    }
}
/@@*********************************************************/
// 定时器0中断服务程序.
/@@*********************************************************/
void timer0 () interrupt 1 
{        
    TH0  = (65535-500)/256;  //500us
    TL0  = (65535-500)%256;  //500us
    counter ++;  //计数值自加
    if(counter >= 100)
        counter = 0;
    if(counter < pulse)
    {
        leftH = 1;
        leftL = 0;
        rightH = 0;
        rightL = 1;
    }
    else
    {
        leftH = 0;
        leftL = 0;
        rightH = 0;
        rightL = 1;        
    }
}

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