單片機(jī)在直流調(diào)速中的應(yīng)用技術(shù)研究

摘 要：本文基于應(yīng)用單片機(jī)控制電機(jī)調(diào)速技術(shù)，首先概述了直流電機(jī)調(diào)速方式，進(jìn)而分析了應(yīng)用單片機(jī)控制電機(jī)調(diào)速的技術(shù)優(yōu)勢，并介紹了應(yīng)用最為廣泛的PWM技術(shù)原理，進(jìn)而通過設(shè)計(jì)實(shí)例（以89C51為例），介紹了應(yīng)用單片機(jī)控制電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) 直流電機(jī) 調(diào)速 PWM技術(shù)

中圖分類號：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）11（b）-0061-01

直流電動機(jī)由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)靈活、技術(shù)成熟、調(diào)速平滑以及控制性能好的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人等工廠自動化設(shè)備中。隨著自動化控制系統(tǒng)的快速發(fā)展及應(yīng)用，利用先進(jìn)的單片機(jī)技術(shù)制造出技術(shù)成熟可靠的直流電機(jī)控制系統(tǒng)，對于促進(jìn)直流電動機(jī)的應(yīng)用具有非常重要的實(shí)際意義。由于單片機(jī)具有體積小、集成度高、運(yùn)算速度快、運(yùn)行可靠、應(yīng)用靈活、價(jià)格低廉以及面向控制等特點(diǎn)，因此在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、智能儀器儀表、智能化設(shè)備和各種家用電器等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)水平不斷提高，目前單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)遍及幾乎所有的領(lǐng)域?，F(xiàn)在國內(nèi)外工業(yè)上對電機(jī)的調(diào)速基本已經(jīng)不再使用模擬調(diào)速，而采用數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)，而數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)大部分都是用單片機(jī)來進(jìn)行控制，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)具有控制精確度高，非常穩(wěn)定，受環(huán)境影響小，效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以在國內(nèi)外的使用越來越廣泛。與交流電動機(jī)相比，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、運(yùn)行維護(hù)困難，但是直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能、較大的啟動轉(zhuǎn)矩和過載能力強(qiáng)等許多優(yōu)點(diǎn)，因此在許多行業(yè)仍大量應(yīng)用。

1 直流電機(jī)的特性及調(diào)速方式

直流電機(jī)的調(diào)速主要有以下幾種。

（1）PWM直流調(diào)整系統(tǒng)。其原理是將直流控制信號與三角波經(jīng)調(diào)制電路產(chǎn)生一系列脈寬不等的脈沖信號，做功率放大后驅(qū)動大功率器件?？刂普{(diào)制方波的占空比，便可以改變輸出平均電壓。將PWM輸出電壓接至直流電動機(jī)的電樞兩端，便可組成性能優(yōu)良的調(diào)速系統(tǒng)。該調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速范圍廣、效率高、響應(yīng)速度快、電流脈動小及對電網(wǎng)污染小。

（2）電樞串電阻調(diào)速。電樞回路串接電阻后，電動機(jī)的機(jī)械特性的斜率隨電阻的改變而改變，在恒負(fù)載下使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。該調(diào)速方式的優(yōu)點(diǎn)是控制裝置很簡單；但是轉(zhuǎn)速受負(fù)載的影響較大，在空載時(shí)幾乎沒有調(diào)速作用，而在重載低速運(yùn)行時(shí)特性顯得太軟，而且功耗很大。

（3）改變電樞電壓調(diào)速。當(dāng)電動機(jī)采用這種方式，其機(jī)械特性隨電樞電壓的改變而產(chǎn)生平移，所以它的調(diào)速范圍較廣。電樞電壓的調(diào)節(jié)常用晶閘管整流裝置實(shí)現(xiàn)，但低速運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)變低，而且在交流側(cè)出現(xiàn)較多的諧波成分，對電網(wǎng)不利。

（4）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)的反饋量電流和轉(zhuǎn)速信號，分別送入電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器按P-I（比例—積分）方式實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。由電流調(diào)節(jié)器組成的閉環(huán)稱為電流環(huán)。由速度調(diào)節(jié)器組成的閉環(huán)稱為轉(zhuǎn)速環(huán)，電流環(huán)用于控制電流，轉(zhuǎn)速環(huán)用于控制轉(zhuǎn)速。

2 PWM技術(shù)原理分析

近年來，直流電動機(jī)的機(jī)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，簡稱PWM）已成為直流電機(jī)新的調(diào)速方式。相對于其他用硬件或者硬軟結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，采用PWM的方法來實(shí)現(xiàn)調(diào)速過程，具有更大的靈活性和更低的成本，能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的效能，對于簡易速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。

脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速是利用數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的技術(shù)，利用PWM技術(shù)容易與數(shù)字控制器相聯(lián)接。此外利用單片機(jī)來做PWM發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)主要是由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本大大降低。同時(shí)將PWM發(fā)生器模塊設(shè)計(jì)在中心控制芯片內(nèi)，不僅簡化了系統(tǒng)的接口，而且使控制器更容易控制PWM波。

3 單片機(jī)控制電機(jī)調(diào)速設(shè)計(jì)實(shí)例簡介

3.1 設(shè)計(jì)思路

對于單片機(jī)控制電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，主要以單片機(jī)（89C51）為核心，通過單片機(jī)控制，C語言軟件編程控制產(chǎn)生PWM信號，控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)控制電機(jī)驅(qū)動電路使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的平滑調(diào)速，主要由可調(diào)直流電機(jī)驅(qū)動部分及程序、電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換脈動電路部分以及LCD顯示屏驅(qū)動程序組成。

3.2 轉(zhuǎn)速測量電路設(shè)計(jì)

（1）單片機(jī)控制單元。單片機(jī)控制單元的選用應(yīng)當(dāng)遵循低功耗、高性能的原則，現(xiàn)階段通常選用8位CMOS微控制器，其具有高密度、非易失存儲以及與80C51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容的優(yōu)點(diǎn)。（2）顯示器。顯示其主要采用LCD液晶顯示器，作為一種功耗極低的顯示器件，具有省電以及信息量大的特點(diǎn)而且易于彩色化，沒有電磁輻射，壽命長。（3）測速傳感器。轉(zhuǎn)速的采集主要使用傳感器是紅外對管，其優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾方面：紅外對管的價(jià)格低廉；紅外對管的靈敏度雖然不是很高但完全能夠滿足低壓直流電機(jī)的速度采集；紅外對管的驅(qū)動和信號轉(zhuǎn)換電路比較簡單。紅外線接收管是將紅外線光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件，其核心部件是一個(gè)特殊材料的PN結(jié)，攜帶能量的紅外線光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生光生載流子。在光電導(dǎo)特性作用下，紅外線接收二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號，而且這個(gè)電信號隨著光的變化而相應(yīng)變化。

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一般情況下，軟件主要由主程序、中斷子程序以及PID算法子程序以及顯示子程序組成。主程序是一個(gè)循環(huán)程序，中斷子程序包括外部中斷以及定時(shí)中斷。

4 結(jié)語

隨著數(shù)字系統(tǒng)的飛速發(fā)展，以微控制器為核心的數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)是目前調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，通過利用數(shù)字形式的微處理器以及芯片，避免了數(shù)模轉(zhuǎn)換過程中的信號噪聲影響，同時(shí)提高了調(diào)速性能，隨著新型的電力電子功率元器件的逐步發(fā)展，采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制已成為直流電機(jī)新的調(diào)速方式，通過借助開關(guān)頻率高、低速運(yùn)行穩(wěn)定、動態(tài)性能良好、效率高的優(yōu)點(diǎn)，單片機(jī)控制電機(jī)調(diào)速技術(shù)必然會進(jìn)一步發(fā)展完善。

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