基于單片機(jī)電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)制動和方向控制的設(shè)計(jì)

摘 要：關(guān)于控制電動機(jī)的調(diào)速，大多采用模擬法。本文主要利用MCS-51系列單片機(jī)操控PWM信號來實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)制動和方向的控制，并且對PWM信號的發(fā)生還有產(chǎn)生基礎(chǔ)以及通過程序來完成PWM信號占空比的調(diào)整進(jìn)而調(diào)節(jié)輸入的信號波形。另外，該系統(tǒng)還將會對直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)的測量，然后通過濾波，把得到的值送到A/D轉(zhuǎn)換器并且把它作為最后的反饋值輸送到單片機(jī)中進(jìn)而完成PI的運(yùn)算，從而得到控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的。

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

中圖分類號：TP368.1

電動機(jī)被當(dāng)作能量轉(zhuǎn)裝置被大規(guī)模的應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中，人們對產(chǎn)品工藝質(zhì)量還有產(chǎn)量的要求不斷增長，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的自動調(diào)速已亟不可待。直流電動機(jī)的制動、啟動性十分良好，適宜在比較廣范的條件內(nèi)平滑的調(diào)速。傳統(tǒng)系統(tǒng)的調(diào)速大多會產(chǎn)生一些不必要的熱損失，同時(shí)對噪聲也很敏感，模擬電路比較容易隨著時(shí)間飄移。而利用PWM技術(shù)則可以避免這些缺點(diǎn)。它可以完全實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制模擬信號，再者，多樣化和復(fù)雜化是電機(jī)控制器可以預(yù)見的方向，而當(dāng)前的專用集成電路也不一定能夠跟上現(xiàn)代化的進(jìn)程，因此，對于直流電機(jī)的研究仍然有著相當(dāng)重要的價(jià)值。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)和加速減速以及轉(zhuǎn)速的調(diào)速是直流電機(jī)PWM系統(tǒng)的主要功能。為了方便實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的智能控制，還需要附加電機(jī)的啟動清零以及暫停連續(xù)功能。A其過程則主要是通過80C51單片機(jī)激發(fā)的可調(diào)脈寬信號傳送到L298驅(qū)動芯片來完成對直流電機(jī)的控制。該直流電機(jī)系統(tǒng)的電路模塊有幾個(gè)部分，首先就是設(shè)計(jì)顯示部分：這部分包括LCD顯示部分和LED數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分則是用1602LCD顯示電路組成。而七段數(shù)碼顯示管則組成了LED的數(shù)碼顯示部分。再就是時(shí)鐘電路和振蕩器：主要是由80C51單片機(jī)還有晶振以及電容組成。再就是輸入部分：該電路模塊的實(shí)現(xiàn)主要是利用帶中斷電路的獨(dú)立鍵盤。最后直流電機(jī)PWM控制的實(shí)現(xiàn)部分呢就是由電機(jī)和L298直流電機(jī)驅(qū)動模塊以及一些二極管構(gòu)成。

硬件電路的詳細(xì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件電路框圖

1.1 脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)

脈沖寬度調(diào)制原理就是利用脈沖的持續(xù)時(shí)間會隨著制波的樣值的改變而改變，這種特別有效的技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域異常廣泛。與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)擁有下列優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)镻WM調(diào)速系統(tǒng)擁有比較高的開關(guān)頻率，只靠電樞電感的濾波作用就可以得到十分平穩(wěn)的直流電流，低速特性比較好，我們可以在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)里面，根據(jù)一個(gè)固定的平率接通電源和斷開電源，而且依據(jù)需求改變一個(gè)周期以內(nèi)的接通電源與斷開電源時(shí)間的長短，也可以改變直流電機(jī)電樞上電壓的占空比使得平均電壓的大小得到改變，以達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。如圖2所示是PWM方波：

圖2 pwm方波

當(dāng)電動機(jī)始終保持接通電源的時(shí)候，可以設(shè)電動機(jī)最大轉(zhuǎn)速是Vmax，同時(shí)設(shè)占空比為D=t1/T，這樣的話電機(jī)的平均速度就成為了Va=Vmax*D，公式里面電機(jī)的平均速度是Va，電動機(jī)在完全通電的時(shí)候它的最大速度為Vmax，從上面的公式可以看出：如果想要得到不同的電機(jī)的平均速度，就要去改變占空比D=t1/T，可以起到調(diào)速的作用。

1.2 PWM信號發(fā)生電路設(shè)計(jì)

PWM信號發(fā)生電路總設(shè)計(jì)圖如下圖3所示。

圖3 pwm信號發(fā)生電路總設(shè)計(jì)圖

上面的系統(tǒng)里面，PWM信號發(fā)生電路是由一片12位串行計(jì)數(shù)器4040與兩片4位數(shù)值比較器4585組成的上圖的U2，U3就是兩片數(shù)值比較器4585，它們的A組接在12位串行計(jì)數(shù)器4040計(jì)數(shù)輸出端Q2-Q9上，但是他們的B組是接到單片機(jī)的P1端口的，要是想通過改變PWM信號的占空比來達(dá)到調(diào)速的目的，僅僅只用改變P1端口的輸出值就可以了，而4040的計(jì)數(shù)輸出端CLK是接到單片機(jī)C51晶振的振蕩輸出XTAL2上面的，每當(dāng)4040計(jì)數(shù)器來八個(gè)脈沖的時(shí)候，它的輸出Q2-Q9就會加1，如果計(jì)數(shù)值等于或者是小于單片機(jī)P1端口輸出值X的時(shí)候，上圖中U2（A>B）的輸出端始終是低電平，但是如果計(jì)數(shù)值大于單片機(jī)P1端口輸出值X的時(shí)候，上圖中U2（A>B）的輸出端始終是高電平，隨著計(jì)數(shù)值的不斷增加，上圖中U2（A>B）的輸出端在Q2-Q9全部從1變到全部是0的時(shí)候，就又變成了低電平了，這樣的話在U2（A>B）的輸出端就得到了PWM信號，它的占空比是（255-X/255）*100%，在這里，如果想要通過相對的改變PWM的信號的占空比來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，僅僅變下X的數(shù)值就可以了。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件由1個(gè)主程序、1個(gè)中斷子程序和1個(gè)PI控制算法子程序組成。下面是它的程序流程圖。軟件由1個(gè)主程序、1個(gè)中斷子程序和1個(gè)PI控制算法子程序組成。主程序是一個(gè)循環(huán)的程序，它的主要思路是由單片機(jī)P1口產(chǎn)生數(shù)據(jù)然后送到PWM信號發(fā)生電路，然后用PI算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。主程序流程圖如圖4所示：

否

否

是

是

否

是 是

否 否

是 是

是

是

否 否

圖4 系統(tǒng)的主流程圖

2.1 系統(tǒng)模塊程序設(shè)計(jì)

PI控制算法子程序設(shè)計(jì)

*PI控制算法子程序*/

void PID_work（）

{

negsum=0；possum=0；

if（BJ==0）

{

possum+=k1；

temp[2]=temp[2]+temp[0]；}

else

{

negsum+=k1；

temp[2]=temp[2]-temp[0]；

}

k3=temp[2]/10；

if（possum>negsum）

{

k2=possum-negsum； //存儲結(jié)果

CY=0；

temp[1]=k3+k1； //誤差積累，

{

if（CY==1） //16位判斷。

UK=0xfe；

else

UK=k1+k3；

}

else

UK=1；

P3=UK；

}

2.2 仿真與測試

本論文所敘述的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速的核心是低價(jià)位的單片機(jī)8051，性價(jià)比很高，這個(gè)在大三的時(shí)候是學(xué)過的，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)整有非常多的渠道，在軟件的領(lǐng)域，用數(shù)字電路組成的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上用PLD算法來確定閉環(huán)控制的補(bǔ)償量。波形圖如圖5所示

圖5

3 測試結(jié)果

經(jīng)過測試驗(yàn)證，電機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及方向的控制，該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。電機(jī)主要測試結(jié)果如表1所示。

表1

測試項(xiàng)目指令控制字預(yù)期結(jié)果實(shí)際結(jié)果

正轉(zhuǎn)1 1正轉(zhuǎn)（慢速）正轉(zhuǎn)（慢速）

1 50正轉(zhuǎn)（快速）正轉(zhuǎn)（快速）

反轉(zhuǎn)2 1反轉(zhuǎn)（慢速）反轉(zhuǎn)（慢速）

2 50反轉(zhuǎn)（快速）反轉(zhuǎn)（快速）

停止0 1快速停止快速停止

0 50快速停止快速停止

加速3 1以原速度開始加速以原速度開始加速

3 50以原速度開始加速以原速度開始加速

4 結(jié)束語

該論文敘述的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的核心是性價(jià)比很高的低價(jià)位的單片微機(jī)8051，而且目前為止有很多辦法可以用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)整，相對于其他的用硬件或者是用硬件和軟件結(jié)合在一起的辦法完成對電機(jī)的調(diào)整來說，使用PWM軟件算法來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)整還是有很大的優(yōu)勢的，這個(gè)軟件的調(diào)速過程有更加大的靈活性，而且成本很低，它還能夠充分的發(fā)揮單片機(jī)的作用，也為簡易速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)有效的渠道。以前也嘗試過用單片機(jī)直接來產(chǎn)生PWM信號波形，但是它的最后的效果都不太理想，在慢慢地減少了硬件的使用以后，就大大的減小了單片機(jī)的壓力，程序里面也有足夠的時(shí)間來進(jìn)行閉環(huán)控制的測控與計(jì)算，這樣能夠使得軟件的運(yùn)算更加的合理，更加的可靠。

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作者簡介：汪小川（1990.05-），男，湖北隨州人，本科，2010級本科生。

作者單位：武漢輕工大學(xué)，武漢 430023