(广西大学电气工程学院广西南宁530004;广西理工职业技术学院广西崇左532200)
摘要：文章介绍以STM8单片机为控制核心的电机转速可调控制系统的设计，先介绍总体设计思路和方框图，然后较详细地介绍了系统硬件的各电路组织模块及其工作原理，最后提供了系统的软件。
关键词：转速测速；控制系统；STM8；电机控制
引言
在这科技飞速发展的现代，机械劳动代替人工劳动已经成为未来发展的趋势。如机器代替人工擦窗、除尘、扫地、倒水等等，这些机器在模仿人工劳动的过程中，都会涉及到机械机构的运动，这些运动大多采用电机作为其驱动机构，机械机构运动的快慢速率和精准度与电机的转速快慢和控制系统控制精度有关。因此，精确测量电机的转速，并根据转速信息产生相应的电机驱动控制量，成为这些机械机构精准控制和定位要解决的关键问题和技术。为此，本文提供了一种电机控制系统，以STM8为信号处理中心，通过检测电机的转速，并根据转速信息产生相应的电机驱动控制量，从而达到合理、精准控制机械机构运动，最终得以实现机器代替人工劳动的目的。
一、系统总体设计思路
本控制系统包含有转速检测传感器、信号整形电路、电机驱动电路、信号处理中心和通信接口五个模块电路。具体设计思路如下：在需要控制的电机轴上装有一个编码盘，用转速传感器检测编码盘转动过程中所产生的脉冲信号。这些脉冲信号经过信号整形电路进行放大、增幅和修边，形成波形标准、幅度满足系统电路要求的脉冲波信号。此脉冲波信号被送至系统的信号处理中心进行运算和分析，换算出当前相应的电机转速值，并分析和产生相应的PWM脉宽调制信号。PWM脉宽调制信号经过电机驱动电路进行功率放大后驱动电机以相应的转速运转。
本系统设计的通信接口，主要用于信号处理中心与外围设备的通信。外围设备可通过此接口读取电机的转速值和PWM信号参数，也可以给信号处理中心发送电机的速度值，由信号处理中心产生相应的PWM信号去调节电机转速，达到电机转速可受外围设备控制的目的。
二、系统硬件电路设计
根据系统的总体设计方案，本控制系统的硬件电路设计如下：
（一）转速检测传感器
为了读取受控电机的转速，通常在电机的转子上安装一个码盘，通过传感器去读取码盘在转动过程中所产生的脉冲数，进而计算出电机转子的转速。
在本控制系统中，检测码盘转数的传感器采用槽型光耦传感器，该传感器内部主要由一个红外发光二极管和一个红外接收二极管组成。在连接电路时，传感器内部的红外发光二极管负极接地，正极经过1kΩ电阻接到5V电源，红外接收二极管负极接地，正极经过10kΩ电阻接到5V电源。按此方法连接上电后，传感器即可正常工作，其工作过程和原理如下：
当电机转子上的码盘槽口刚好转到传感器的位置时，传感器内部的红外发光二极管发射的红外线通过槽口，被红外接收管接收，红外接收管正极电平被拉低（即输出低电平）；当转盘槽口不在传感器位置时，红外线被转盘挡住，红外接收管接不到信号，保持高电平状态。由此可知，当码盘随电机转子转动时，传感器内的红外接收管正极将得到“高-低-高-低”的一连串脉冲信号。
（二）信号整形电路
本模块电路用于对转速传感器送来的信号进行信号放大和整形，主要由一个LM393电压比较器和一些电阻电容元件组成。转速传感器送来的脉冲信号由比较器的同相输入端（1脚）输入，比较器的反相输入端（2脚）为比较电压（也叫基准电压），此电压由两个电阻值相同的电阻分压得到。在工作过程中，转速传感器送来的脉冲信号与此基准电压进行比较，当脉冲电压电平比基准电压高时（即转速传感器输出高电平期间），比较器输出高电平；当脉冲电压电平比基准电压低时（即转速传感器输出低电平期间），比较器输出低电平。
转速传感器送来的脉冲信号经过此整形电路进行放大和整形后，可得到一个信号干净，波形良好，驱动能力较强的脉冲信号，其高电平幅度可达到3.3～5V（电源电压），能被信号处理芯片（STM8单片机）直接读取。
（三）电机驱动电路
本模块电路用于驱动电机转动，主要以80NF70场效应管为功率控制管，结合二极管、三极管、电阻、光电耦合器等元件驱动组成。
其工作过程为：信号处理芯片（STM8单片机）发出的PWM信号，从光电耦合器U2的第2脚输入，经过U2进行电气隔离，再由三极管Q1进行预放大和电平转换，最后进入场效应管T1的控制极，由场效应管T1直接驱动电机转动。具体工作过程如下：
由信号处理芯片STM8单片机送来的PWM信号，在高电平期间，因光电耦合器U2内部的发光二极管和光敏二极管截止，使得光电耦合器的4脚为高电平，三极管Q1截止，电阻R10上的电压为0V，因此，场效应管也截止，电机失电不工作；当PWM信号在低电平期间时，耗电耦合器导通使得其第4脚为低电平，三极管Q1导通，电阻R10为高电平，场效应管T1控制极得到高电平导通，电机得电工作。
由此可知，当此驱动电路接收到PWM信号时，电机表现为“得电工作-失电不工作-得电工作-失电不工作”的工作形式，只要PWM信号达到一定的频率时，由于转动惯性的作用，电机将以平稳的速度转动。改变PWM的占空比，即可改变电机的转速。
（四）信号处理中心
本控制系统的信号处理中心使用的主控芯片是STM8S103F3P6单片机。STM8S系列是意法半导体公司生产的8位单片机，具有3级流水线的哈佛结构，2.95～5.5V的宽电压供电范围，低功耗，内置存储器、看门狗、I2C、模数转换等多种功能模块，能满足本控制系统的所有功能开发需要。
在整个控制系统中，STM8芯片是系统的数据处理和信号控制中心，主要有以下几个功能：一是将信号整形电路送来的电机转动脉冲数换算成可量度的转速值；二是根据转动脉冲和通信接口的信号产生相应的PWM脉宽调制信号；三是通过通信接口与外围设备进行数据通信，达到信息交互和可实现由外围设备监测和控制电机转速的目的。
三、系统软件设计
根据控制系统硬件电路的设计，系统程序的设计主要是利用STM8单片机的外部中断（脚16）和通用定时器来测量转速信号的周期，利用片内的PWM模块来产生电机的PWM控制脉冲信号，从脚20输出，具体过程叙述如下：
信号整形电路放大和整形后的转速脉冲信号从STM8单片机的第16脚输入。在系统程序上，将外部中断类型设置成下降沿触发中断，当转速脉冲信号传来第一个下降沿时，中断产生，同时启动定时器和计数器，开始测量信号的周期。当达到设置的定时时间T后，由计数器所计的脉冲数M除于T和每转盘的槽数，即可算出电机的转速。
STM8单片机内部的TIM2定时器具有PWM模式，配置内部参数后，即可产生需要的PWM信号，从单片机的第20脚输出，直接去驱动电机驱动电路。
结语
综上，本控制系统以STM8单片机为系统控制核心，通过传感器采集电机转子的转数，再通过软件计算出转数值，最后再产生相应的PWM控制信号去控制电机，达到对电机进行精准测量和控制的目的。
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