基于單片機(jī)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速/電流控制系統(tǒng)設(shè)計

賈文哲

摘要：隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，對機(jī)械自動化的要求也越來越高，對于單片機(jī)而言，對其位置和時間的精確度也提出了更高的要求，因此，如何提高電機(jī)的運動速度是現(xiàn)代社會電機(jī)的一個重要課題。本次研究以89C52單片機(jī)為核心，用C語言進(jìn)行編程控制，采用單片機(jī)內(nèi)部定時器產(chǎn)生可調(diào)的矩形波，依據(jù)直流電動機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型以及脈寬調(diào)制（PWM）控制原理和H橋電路基本原理設(shè)計了驅(qū)動電路，采用了PWM技術(shù)對電動機(jī)進(jìn)行控制，通過對占空比的計算達(dá)到精確調(diào)速的目的。

Abstract： With the continuous development of modern society， there are increasing requirements for mechanical automation. For singlechip， there are higher requirements for the accuracy of the location and time. Therefore， how to improve the speed of the motor is an important subject of motor in modern society. This study takes 89C52 singlechip as the core， uses C language for programming control， produces adjustable square wave by the MCU internal timer， and designs the drive circuit based on the working principle and mathematic model of continuous current motor and Pulse width modulation （PWM） control principle and the basic principle of H bridge circuit. It adopts PWM technology to control the motor and achieves the goal of precise speed control through duty cycle calculation.

關(guān)鍵詞：PWM調(diào)速；H橋電動機(jī)驅(qū)動；電動機(jī)測速；89C52單片機(jī)

Key words： PWM speed regulation；H bridge motor drive；motor speed；89C52 singlechip

中圖分類號：TM32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）08-0247-03

0 引言

在運動控制發(fā)展的歷程中，交、直流兩大電機(jī)構(gòu)并存于各個工業(yè)控制領(lǐng)域，隨著各個時期科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它們所處的地位、所起的作用不同，但它們始終隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展而不斷的提高性能，特別是在電力電子和微電子技術(shù)日益發(fā)展的今天，PWM調(diào)試方式的產(chǎn)生促使這兩大電機(jī)的調(diào)速方式上逐漸進(jìn)入了一個新的時代。

1 硬件電路設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計總體框圖（圖1）

系統(tǒng)主要采用89C52單片機(jī)為主控芯片，單片機(jī)讀取按鍵值，然后控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，啟動，停止，調(diào)速，以及速度的測量。

1.2 電源電路設(shè)計

電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，供電電源為系統(tǒng)的正常工作提供能源，本系統(tǒng)主要是采用5V電源給單片機(jī)供電，12V電源給電動機(jī)供電，直流電主要是市電通過整流，濾波，穩(wěn)壓得到5V直流電源以及12V電源。

供電電路采用的是直流線性穩(wěn)壓器組成。其中，交流電經(jīng)過變壓器變壓得到電壓UAC，根據(jù)單相橋式整流電路的特性，我們可以計算出整流以后的電壓UO，UO是整流電路的輸出端電壓瞬時值在一個周期內(nèi)的平均值，根據(jù)上圖中的波形可得：

1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)的單片機(jī)采用的是89C52單片機(jī)，主要采用STC 89C52RC單片機(jī)，STC 89C52RC 是一種CMOS 8位微控制器，具有高性能、低功耗的特點，具備8KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。

除了上述功能外，單片機(jī)還具有一些其它的特殊功能，由特殊寄存器來負(fù)責(zé)設(shè)置。

1.4 直流電機(jī)PWM調(diào)速控制原理

直流電機(jī)改變電壓調(diào)速就是改變電樞繞組端電壓的調(diào)速。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，通常電樞電流的時間常數(shù)很小，這就要求電流內(nèi)環(huán)需有足夠高的采樣頻率，在實際的操作中采用較高的采樣頻率是可行的。所以電流調(diào)節(jié)器通常能夠采用間接方法設(shè)計，首先依照連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計，然后再將得到的結(jié)果數(shù)字化。對于轉(zhuǎn)速的采樣頻率，由于該數(shù)值過高或者過低都會影響到系統(tǒng)的安全性，所以必須對轉(zhuǎn)速低采樣頻率進(jìn)行合理選值，保證系統(tǒng)的正常運行。

電動機(jī)驅(qū)動電路采用H橋式驅(qū)動，圖中用三極管組成H型平衡橋，驅(qū)動功率大，驅(qū)動能力強(qiáng)。同時H型PWM電路工作在晶體管的飽和狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)，具有非常高的效率。圖中兩個光電耦合器起隔離作用，因為電動機(jī)驅(qū)動電壓為12V，單片機(jī)的工作電壓為5V，若三極管的基極直接與單片機(jī)相連，會燒壞單片機(jī)，所以必加一個光電耦合器，隔離兩邊的電壓，由于光電耦合器的傳輸速度最高可以達(dá)到70kHz，所以光電耦合器可以滿足隔離的要求，同時也可滿足脈沖信號傳遞速度較快的要求。

1.5 H橋電動機(jī)驅(qū)動電路

圖2中所示這是一個非常常用的電動機(jī)驅(qū)動控制電路。因為它的形狀和字母H非常相似，因此叫作“H橋驅(qū)動電路”。4個三極管組成這個電動機(jī)驅(qū)動電路。如圖所示，電動機(jī)驅(qū)動電路H橋式通常包括4個三極管和一個電動機(jī)。導(dǎo)通對角線上的一對三極管，則電動機(jī)運轉(zhuǎn)。判斷不同三極管對的導(dǎo)通與否，然后判斷電流的流向，根據(jù)電流的流向控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)向。

2 軟件設(shè)計

2.1 軟件總流程圖

軟件總流程圖如圖3所示。

2.2 PWM調(diào)速程序設(shè)計

2.2.1 PWM調(diào)速程序設(shè)計

鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過P2.0與P2.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出高電平，驅(qū)動H型橋式電動機(jī)控制電路，實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動機(jī)所處速度級以速度檔級數(shù)表示。速度分10檔，快慢與電動機(jī)所處速度級快慢一一對應(yīng)。

在程序中通過單片機(jī)內(nèi)部的定時器1和定時器0產(chǎn)生PWM，送出預(yù)設(shè)占空比的PWM波形。PWM（脈沖寬度調(diào)制）是一系列周期固定、占空比可調(diào)的脈沖系列，由于周期數(shù)必須是每個脈沖的低電平時間和高電平時間之和，因此必須由定時器來控制輸出電平的維持時間。輸出電壓的平均值為：UAV=VCC*TH/（TH+TL）=VCC*TH/T=D*VCC

其中：VCC代表電壓；TL代表低電平時間；TH代表高電平時間；T代表PWM周期。

當(dāng)VCC固定時，其電壓值取決于PWM波形的占空比D，而PWM的占空比由單片機(jī)軟件內(nèi)部用于控制PWM輸出的寄存器值決定。

2.2.2 基于PID算法的PWM電機(jī)調(diào)速程序設(shè)計改進(jìn)

PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單，被廣泛應(yīng)用于過程控制和運動控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。為了分析簡便，從常規(guī)PID算法入手，PI控制的增量式差分方程為式（1），PI調(diào)節(jié)器的輸出可由式（2）求得，其中KP為比例系數(shù)：KI為積分系數(shù)；Tsam為采樣周期。

PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)直接影響著系統(tǒng)的性能指標(biāo)。分析系統(tǒng)過渡過程，在轉(zhuǎn)速上升時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器相當(dāng)于開環(huán)，此時不必進(jìn)行積分計算，編程只須考慮比例放大作用，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升接近穩(wěn)態(tài)值時，才進(jìn)行PI控制，消除穩(wěn)態(tài)誤差，此時的P慮比前階段小。

常規(guī)PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、易于編程實現(xiàn)等優(yōu)點，在高性能的調(diào)速系統(tǒng)中，僅僅靠調(diào)整P1參數(shù)難以同時滿足各項靜、動態(tài)性能指標(biāo)。微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)具有根強(qiáng)的邏輯判斷和數(shù)值運算能力，我們應(yīng)充分應(yīng)用這些能力，再加上對直流電機(jī)和控制規(guī)律的知識，以智能的方式衍生山多種改進(jìn)算法，提高系統(tǒng)的控制性能。

3 系統(tǒng)仿真分析

系統(tǒng)仿真采用Protues仿真軟件，Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。

本系統(tǒng)的仿真如圖4所示。

系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5所示。

4 結(jié)語

本次PWM電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究重對直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究與分析，提出并討論了基于PID算法的電機(jī)控制思路，運用此算法可以使直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng)精度高，動態(tài)響應(yīng)好，穩(wěn)定。

89C52單片機(jī)是一種適合于常用的51內(nèi)核微處理器。本次研究充分利用了89C52內(nèi)含多個定時器的功能，結(jié)合直流電動機(jī)的特點，設(shè)計了結(jié)構(gòu)簡單、保護(hù)功能較齊全的PWM電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]李發(fā)海.王巖.電機(jī)與拖動基礎(chǔ)[M].二版.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[3]周繼華，李宏.現(xiàn)代電力電子工程[M].陜西：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[4]許大中.電機(jī)控制[M].二版.浙江：浙江大學(xué)出版社，2002.

[5]陳隆昌，閻治安，劉新正.控制電機(jī)[M].陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[6]正田英介，春木弘.自動控制[M].北京：科學(xué)出版社，2001.