淺析單片機對直流電機的控制

丁健鴻

【摘要】本文旨在介紹單片機控制直流電機的整體思想和核心框架，從直流電機的工作原理入手，詳細(xì)闡述了其旋轉(zhuǎn)的核心原理，然后通過對PWM技術(shù)的介紹，以及對單片機產(chǎn)生PWM脈沖信號，從而實現(xiàn)單片機對直流電機的智能控制。

【關(guān)鍵詞】單片機；占空比；PWM

1.概述

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展以及社會經(jīng)濟水平的不斷提升，人們對物質(zhì)生活水平的要求越來越高，他們迫切希望能夠通過高的科學(xué)技術(shù)水平來提升人們的物質(zhì)生活條件和水平，日常生產(chǎn)生活中的各種事宜都能按照人們的意愿，自動地完成。這就要求在生活中使用各種電動機來驅(qū)動機械設(shè)備完成人們的預(yù)期的功能。直流電機是目前電動機中穩(wěn)定性較高、應(yīng)用范圍較廣的設(shè)備，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在社會的交通、航空、工業(yè)、政府等各個領(lǐng)域中的方方面面。然而，人們對電動機的要求，不僅僅是能夠帶動機械設(shè)備完成相應(yīng)的工作，而且是要在不同的環(huán)境條件下，按照不同的速度進行運轉(zhuǎn)，從而提供更加高質(zhì)量的服務(wù)。直流電機的調(diào)度性能非常良好，而且有專門的外部接口能夠?qū)χ绷麟姍C進行速度控制，從而實現(xiàn)不同條件下的速度要求。單片機是人工智能化的核心控制設(shè)備和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，能夠?qū)⑷藗兊南敕?，通過計算機二進制數(shù)據(jù)的形式存儲在單片機中，并且通過專門的電路和接口生成固定的控制信號，從而實現(xiàn)對各種設(shè)備的控制。如何實現(xiàn)通過單片機來控制直流電機，是非常值得研究的問題，通過單片機生成調(diào)速信號，驅(qū)動直流電機工作，從而實現(xiàn)自動化控制，這對于實現(xiàn)自動化功能、提升生活質(zhì)量來說，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

2.直流電機的工作原理

電動機是將電能轉(zhuǎn)化成動能的專業(yè)設(shè)備，而直流電動機則是以直流電為驅(qū)動電源的一種旋轉(zhuǎn)設(shè)備，通過內(nèi)部的磁極、電刷、鐵芯、繞線組等構(gòu)成的定子和轉(zhuǎn)子，將直流電轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的磁場，通過磁場作用產(chǎn)生動力。直流電機的定子是固定的，上面有兩個固定的永久磁鐵，電刷則是與電源直接連通，當(dāng)有直流電通過時，電刷連接轉(zhuǎn)子繞線組形成回路，電流通過產(chǎn)生磁場，該磁場與定子永久磁鐵的磁場相互作用，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。特別的，在直流電機中有一個換向器設(shè)備，在轉(zhuǎn)子在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，由于電刷位置固定，即電流流向的方向，經(jīng)電刷處是固定的，而轉(zhuǎn)子的線圈旋轉(zhuǎn)過半時，繞線組的方向就會發(fā)生變化，如果電刷中的電流方向不變化，那么轉(zhuǎn)子此時產(chǎn)生的磁場與定子磁場的作用力，與上半圈電流流經(jīng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場與定子磁場的作用力正好相反，那么此時轉(zhuǎn)子就會向反方向提供作用力，電機將不會旋轉(zhuǎn)，所以換向器的作用就保證了流經(jīng)繞線組的電流產(chǎn)生的磁場與定子磁場之間的作用力始終是一致的，從而源源不斷的磁場作用力就能使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。最終形成的效果就是，如果提供的電源電流方向不變，轉(zhuǎn)子方向就不會發(fā)生變化，即電機旋轉(zhuǎn)方向不變，改變電流方向，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，電機旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化。

3.單片機控制直流電機

單片機控制直流電機，主要是采用PWM技術(shù)，對直流電機進行控制。由于直流電機自身的特性，在不同電流流向的直流通過時以及在不同時間的磁場力作用下，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向都是不同的。PWM技術(shù)就是按照直流電機自身固有的特性，通過對控制信號的改變和調(diào)整，來實現(xiàn)對直流電機的控制。

3.1 PWM技術(shù)

PWM技術(shù)的核心技術(shù)就是生成方波，然后調(diào)整其不同的占空比和方向來實現(xiàn)對直流電機控制電流的調(diào)整和改變。如圖1.所示，為PWM的脈沖信號示意圖。

由圖1可知，PWM脈沖信號是周期為T的信號，在一個完整周期內(nèi)，高電壓為t1，低電壓為t2，PWM脈沖信號就是重復(fù)周期T的信號對直流電機進行控制。當(dāng)直流電機通過高電壓t1時，直流電機轉(zhuǎn)子和定子產(chǎn)生相互作用的磁場力，直流電機工作，當(dāng)直流電機通過低電壓t2時，直流電機轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生磁場力，直流電機不工作。那么在一個完成的周期內(nèi)，如果能夠按照人們的意愿靈活地改變t1和t2的比例，即可實現(xiàn)對直流電機作用力時間的改變，從而改變直流電機的運轉(zhuǎn)速度。同樣的，如果改變PWM脈沖信號的直流控制信號方向，那么直流電機的旋轉(zhuǎn)方向就會發(fā)生改變，從而實現(xiàn)對直流電機旋轉(zhuǎn)方向的控制。

PWM技術(shù)應(yīng)用在單片機控制電動機方面應(yīng)用十分廣泛，由于PWM脈沖信號為方波，屬于數(shù)字信號，單片機很容易通過專門的輸入輸出端口或者通過有序地控制二極管通連情況，來生成PWM脈沖信號。

3.2單片機控制直流電機框架

單片機控制直流電機的電路框架分為三部分，分別是人機交互接口的鍵盤控制電路，單片機核心控制電路，直流電機驅(qū)動和工作電路。其中，鍵盤控制電路提供了外部接口能夠方便使用者對單片機輸入控制信號，如開機、加速、減速、換向、關(guān)機等。單片機核心控制電路主要是讀取鍵盤區(qū)域的外部控制信號、處理內(nèi)部邏輯運算、生成PWM脈沖信號等。直流電機控制電路主要是接受單片機輸出的PWM脈沖信號，并對其進行電壓放大和功率放大的處理，使其能夠滿足直流電機的正常運轉(zhuǎn)的功率需求。如圖2.所示，為單片機控制直流電機的電路框架結(jié)構(gòu)圖。

3.3單片機控制流程

當(dāng)外部用戶按下開機鍵時，單片機開始工作，數(shù)據(jù)初始化，電動機控制芯片或者電路使能，數(shù)據(jù)初始化工作不僅包括單片機正常的數(shù)據(jù)初始化，還包括對內(nèi)部定時器/計時器的設(shè)置、輸入輸出端口的設(shè)置等等。當(dāng)用戶按下加速按鈕，單片機產(chǎn)生默認(rèn)方向的PWM脈沖信號，占空比為相對較小的單位，此PWM脈沖信號輸出到直流電機控制電路，通過轉(zhuǎn)換進行放大處理，驅(qū)動直流電機工作。當(dāng)用戶繼續(xù)按下加速按鈕時，單片機讀取此信號，繼續(xù)改變PWM脈沖信號占空比，脈沖信號的高電壓比例增加，直流電機產(chǎn)生的磁場作用力時間變長，速度提升。當(dāng)用戶按下減速按鈕時，單片機接收到此信號，減小PWM脈沖信號一個周期內(nèi)的占空比，直流電機受到的作用力時間減少，速度降低。當(dāng)用戶按下反向按鈕時，相反地，只需要改變PWM脈沖信號的方向即可實現(xiàn)直流電機的轉(zhuǎn)向。

改變PWM脈沖信號占空比的方法有很多，如果使用二極管產(chǎn)生脈沖信號，可以采用定時器/計數(shù)器方式，對高電壓與低電壓的固定時間進行定時即可。特別的，為了能夠減少直流電機的損耗，在對直流電機的旋轉(zhuǎn)方向進行控制時，一定要在相對低速的情況下改變方向，這樣對直流電機來能夠起到保護作用。

4.總結(jié)

單片機控制直流電機，主要是利用直流電機自身特性，通過生成PWM脈沖信號，改變其占空比與脈沖信號的方向，來對直流電機進行控制，整個電路的框架從控制接口、到核心處理部分、到驅(qū)動部分結(jié)束生成適合直流電機運轉(zhuǎn)工作的合適的PWM信號，從而實現(xiàn)對直流電機的智能控制。

參考文獻：

[1]張巖，裴曉敏，付韶彬.基于單片機的智能循跡小車設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2014（03）

[2]蘭羽.基于AT89C51單片機的心率體溫測量儀設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2013（03）

[3]藍厚榮.單片機的PWM控制技術(shù)[J].工業(yè)控制計算機，2010（03）