一種單片機(jī)在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的利用

侯　斌

[摘要]介紹一種單片機(jī)（如89C51型）在直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)方法以及硬件結(jié)構(gòu)等。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)采用了霍爾元器件測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，用此種單片機(jī)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了控制，用DAC0832芯片實(shí)現(xiàn)輸出模擬電壓值來(lái)控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

[關(guān)鍵詞]單片機(jī) 直流電機(jī) 轉(zhuǎn)速控制 硬件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì) 工作原理

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2009）0110020-01

由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，因此在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。而且，從控制的角度來(lái)看，直流調(diào)速還是交流拖的動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，由運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使許多控制動(dòng)能及算法可以采用軟件技術(shù)來(lái)完成，不但為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，而且使系統(tǒng)能達(dá)到了更高的性能，從而大大節(jié)約了人力資源，降低了系統(tǒng)成本，有效地提高了工作效率。

一、轉(zhuǎn)速的測(cè)量原理

轉(zhuǎn)速是工程上一個(gè)常用的參數(shù)，旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速常以每分鐘的轉(zhuǎn)速來(lái)表示，其單位為r/min。轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法很多，由于轉(zhuǎn)速是以單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速來(lái)衡量的，因此采用霍爾元件測(cè)量轉(zhuǎn)速是較為常用的一種測(cè)量方法。

霍爾器件是由半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，設(shè)其長(zhǎng)為L(zhǎng)、寬為b、厚度為d。若在垂直于薄片平面方向（即沿厚度d的方向）施加外磁場(chǎng)，在沿長(zhǎng)為L(zhǎng)的方向的兩個(gè)端面加以外電場(chǎng)，則其內(nèi)部會(huì)有一定的電流經(jīng)過(guò)。由于電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，所以將受到一個(gè)洛侖磁力，其大小為：F1=qvB

式中：F1為洛侖茲力；q為載流子電荷；v為載流子運(yùn)動(dòng)速度；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

由于受洛侖茲力，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡將發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個(gè)側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電核過(guò)剩，形成霍爾電場(chǎng)。在霍爾元器件兩個(gè)側(cè)面間形成的電位差稱為霍爾電壓，其大小為：UH=RHIB/d

式中，RH為霍爾常數(shù)，I為控制電流。設(shè)KH=RH/d，則UH=KHIB

式中：KH稱為霍爾器件的靈敏系數(shù)，它表示該霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下輸出霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度B反向時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)也反向。若控制電流保持不變，則霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場(chǎng)強(qiáng)度而變化。根據(jù)這一原理，可以將一塊永久磁鋼固定在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤(pán)的邊沿，轉(zhuǎn)盤(pán)隨被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤(pán)附近安裝一個(gè)霍爾元件，轉(zhuǎn)盤(pán)隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響，故可輸出脈沖信號(hào)，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測(cè)出霍爾元件輸出脈沖的周期或頻率即可計(jì)算出轉(zhuǎn)速。

二、直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)自制5V電源（圖1）來(lái)確保工作電壓正常，由霍爾元件及外圍器件組成的測(cè)速電路將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，送至89C51單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T1，由T1測(cè)出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與設(shè)定值比較形成偏差；根據(jù)比較結(jié)果，使DAC0832輸出的控制電壓增大或減小；功放電路將DAC0832輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)換成具有一定輸出功率的電動(dòng)機(jī)控制電壓。其控制原理如圖1所示。

三、直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)程序的功能是用89C51單片機(jī)的TO、T1測(cè)出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與給定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，使DAC0832芯片的輸出控制電壓增大或減小。30H單位存放實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定值是否相等的標(biāo)志，“1”表示相等，“0”表示不相等；40H單位存放送入DAC0832芯片的數(shù)字控制電壓；7FFFH為DAC0832地址。

四、直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的工作原理

直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與施加于電動(dòng)機(jī)兩端的電壓大小有關(guān)。本系統(tǒng)用DAC0832控制輸出到直流電動(dòng)機(jī)的電壓的方法來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于設(shè)定值時(shí)，DAC0832芯片的輸出電壓增大；當(dāng)大于設(shè)定值時(shí)，則DAC0832芯片輸出電壓減小，從而使電動(dòng)機(jī)以設(shè)定的速度恒速旋轉(zhuǎn)。我們采用比例調(diào)節(jié)器算法，控制規(guī)律為：Y=KPe(t)+K1e(ft)dt

式中：Y為比例調(diào)節(jié)器輸出；KP為比例系數(shù)；K1為積極系數(shù)；e(Ft)為調(diào)節(jié)器的輸入，一般為偏差值。

系統(tǒng)采用了比例積分調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱PI調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)在擾動(dòng)的作用下，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到靜態(tài)無(wú)差，從而實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)無(wú)差。無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)中，比例積分調(diào)節(jié)器的比例部分使動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快（無(wú)滯后），積分部分使系統(tǒng)消除靜差。

五、結(jié)論

本系統(tǒng)用單片機(jī)構(gòu)成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)，采用比例積分調(diào)節(jié)器算法，不但效率高，而且電路簡(jiǎn)單，在實(shí)踐中得到了比較廣泛的應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介：

侯斌，2003年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)任蘭州鐵路局蘭西車輛段助工，從事機(jī)械動(dòng)力設(shè)備的管理、保養(yǎng)和維修等工作。