基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李美艷

（西安外事學(xué)院 工學(xué)院，陜西 西安710077）

基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李美艷

（西安外事學(xué)院 工學(xué)院，陜西 西安710077）

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)控制的需求，提出了一種基于單片機(jī)為核心的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的硬件部分主要用單片機(jī)控制輸入信號(hào)，軟件部分采用C51進(jìn)行編程，能夠完成對(duì)直流電機(jī)的速度控制。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便、調(diào)速準(zhǔn)確的特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

單片機(jī)；輸入信號(hào)；直流電機(jī)；速度控制

在工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)中，常用電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)去拖動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械，如各種機(jī)床、軋鋼機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、傳送帶等。隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的要求也愈來(lái)愈高，如提高加工精度以及工作速度，快速啟動(dòng)、制動(dòng)以及逆轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)寬范圍內(nèi)的調(diào)速和整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化等[1-2]。要完成這些任務(wù)，必須有自動(dòng)化控制設(shè)備來(lái)控制直流電機(jī)，微型計(jì)算機(jī)及單片機(jī)的快速發(fā)展，使直流電機(jī)的控制發(fā)生了質(zhì)的飛躍[3]。

1　直流電機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

小功率直流電機(jī)是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子上有一磁極，磁極上繞有勵(lì)磁繞組。轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子外圓有槽，槽內(nèi)裝有電樞繞組，繞組通過(guò)換向器和電刷引出[4-5]。使用計(jì)算機(jī)控制小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的方法，是通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上的電壓接通或斷開(kāi)時(shí)間的比值（即占空比）來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種方式稱為脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡(jiǎn)稱PWM[6-7]。在通電脈沖作用下：高電平時(shí)，馬達(dá)速度增加；低電平時(shí)，速度逐漸減少。改變通、斷電時(shí)間，可使馬達(dá)速度達(dá)到一定的穩(wěn)定性[8-9]。

假設(shè)電機(jī)接通電源時(shí)，轉(zhuǎn)速為Vmax，則電機(jī)的平均速度為[10]:

上式中，Vd—電機(jī)的平均速度；

Vmax—電機(jī)全通電時(shí)的速度（最大）；

D=t1/T—占空比。

平均速度Vd與占空比D的函數(shù)曲線，如圖1所示。

圖1　Vd與D的函數(shù)曲線圖

2　直流電機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)

直流電機(jī)控制系統(tǒng)由以下五部分組成，如圖2所示。

1）占空比D的設(shè)定[11-12]

①人工設(shè)定：通過(guò)開(kāi)關(guān)給定值(8位二進(jìn)制數(shù) )，改變開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，即可改變占空比的大小；

②用電位器給定：經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器接到微型機(jī)作為給定值；

③由撥碼鍵盤給定：每個(gè)撥碼鍵盤給出一位BCD碼（4位二進(jìn)制數(shù)），若采用兩位BCD碼數(shù)，則需并行用兩個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)。

2）寬度脈沖發(fā)生器

根據(jù)給定平均速度Vd，計(jì)算出占空比D，用軟件方法實(shí)現(xiàn)。

3）驅(qū)動(dòng)器

將計(jì)算機(jī)輸出的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)加以放大，控制電機(jī)定子電壓接通或斷開(kāi)的時(shí)間。由放大器/繼電器，TTL集成電路組成驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成[13]。

4）電子開(kāi)關(guān)(大功率場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)、固態(tài)繼電器或可控硅)

用來(lái)接通或斷開(kāi)電機(jī)定子電源。一般需要加光電隔離器。

5）電機(jī)

被控對(duì)象，用以帶動(dòng)被控裝置。

圖2　系統(tǒng)框架圖

3　直流電機(jī)控制接口

直流電機(jī)控制接口元器件包括固態(tài)繼電器、大功率場(chǎng)效應(yīng)管、專用接口芯片（如L290、L291、L292）以及接口板，所以直流電機(jī)與微型機(jī)接口可采用以下4種方法[14]：

1）光電隔離器＋大功率場(chǎng)效應(yīng)管；

2）固態(tài)繼電器；

3）用接口芯片；

4）專用接口板；

圖3　固態(tài)繼電器接口

本文采用如圖3所示的固態(tài)繼電器接口技術(shù)，3管腳經(jīng)限流電阻R接＋5V直流電流。I/O接口的控制管腳，例如P1.0，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器7406接到固態(tài)繼電器第4管腳。當(dāng)P1.0輸出為高平電時(shí)，經(jīng)反向驅(qū)動(dòng)器7406輸出低電平，使固態(tài)繼電器發(fā)光二極管發(fā)光，并使光敏三極管導(dǎo)通，從而使直流電機(jī)繞組通電。反之，當(dāng)PC0輸出為低電平時(shí)，發(fā)光二極管無(wú)電流通過(guò)，不發(fā)光，光敏三極管隨之截止，因而直流電機(jī)繞組沒(méi)有電流通過(guò)。圖3中V1為固態(tài)繼電器內(nèi)部的保護(hù)電路，V2為電機(jī)保護(hù)元件。使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)直流電機(jī)的工作電壓、工作電流來(lái)選定合適的固態(tài)繼電器[15]。

圖4　開(kāi)關(guān)控制直流電機(jī)示意圖

開(kāi)關(guān)控制直流電機(jī)如圖4所示，開(kāi)關(guān)SW1和SW4閉合時(shí)，電機(jī)全速正轉(zhuǎn)；開(kāi)關(guān)SW2和SW3閉合時(shí)，馬達(dá)全速反轉(zhuǎn)；SW2和 SW4（或SW1和SW4）閉合時(shí)，電機(jī)繞組被短路，電機(jī)處于剎車狀態(tài)；將4個(gè)開(kāi)關(guān)全部打開(kāi)，電機(jī)自由滑行。

完整的雙向直流電機(jī)調(diào)速控制接口電路如圖5所示，采用8155作為并行接口電路。設(shè)8155 A口為輸出方式，B口和C口為輸入方式。A口PA1，PA0經(jīng)4總線緩沖門74LS125和反向驅(qū)動(dòng)器74LS06控制4個(gè)光電隔離器和4個(gè)大功率場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管IRF640（圖4中用SW1～SW4表示）。

1）單片機(jī)經(jīng)8155 A口輸出控制模型

輸出02H控制模型時(shí)，使SW1、SW4導(dǎo)通；SW2、SW3關(guān)斷，電流從左至右流過(guò)直流電機(jī)，使電機(jī)正轉(zhuǎn)。

輸出01H控制模型時(shí)，使SW2和SW3接通；SW1和SW4關(guān)斷，電流由右向左流過(guò)電機(jī)，使電機(jī)反轉(zhuǎn)。

輸出03H控制模型時(shí)，剎車。

輸出00H控制模型時(shí)，滑行。

2）單片機(jī)從8155 B口讀入 8個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，作為脈沖寬度給定值N以實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)速。

3）C口的PC0和PC1各接一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)。

PC0位為方向控制位：

當(dāng)PC0=0時(shí)，電機(jī)正向運(yùn)行；

PC0=1時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

PC1位用來(lái)控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止：

若PC1=0，電機(jī)啟動(dòng)；

當(dāng)PC1=1，電機(jī)停止。

圖5　雙向直流電機(jī)控制接口電路

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

1）對(duì)8155初始化:

設(shè)其 A口 為輸出方式，B口、C口為輸入方式。

2）讀入方向控制標(biāo)志:給定值N。

啟動(dòng)判斷:決定是否啟動(dòng)電機(jī)。如不需要啟動(dòng)，則繼續(xù)檢查；

需要啟動(dòng)，進(jìn)一步判斷設(shè)置的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

3）讀入占空比D的給定值。

4）按照要求輸出正向（或反向）控制代碼，

查對(duì)及判斷脈沖寬度（單位脈沖個(gè)數(shù)）是否達(dá)到給定值:

如未達(dá)到要求，則繼續(xù)輸出控制代碼；

達(dá)到給定值，便輸出剎車（或滑行）代碼。

5）重復(fù)上述過(guò)程，即可達(dá)到給定的電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度。

圖6　軟件設(shè)計(jì)流程圖

5　結(jié)束語(yǔ)

該直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用單片機(jī)控制雙向直流電機(jī)為硬件平臺(tái)，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，提高了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。該調(diào)速系統(tǒng)將輸入的信號(hào)通過(guò)單片機(jī)轉(zhuǎn)換后輸出控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控直流電動(dòng)機(jī)的速度。實(shí)際應(yīng)用表明該調(diào)速系統(tǒng)具有速度調(diào)節(jié)準(zhǔn)確、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該設(shè)計(jì)方案可以應(yīng)用在許多方面，包括電機(jī)調(diào)速、溫度控制和壓力控制等。

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Design of DC motor speed control system based on single-chip microcomputer

LI Mei-yan
（College of Engineering，Xi’an International University，Xi’an 710077，China）

In order to satisfy the requirement of the DC motor control，the design of the DC motor speed control system based on single-chip microcomputer is designed in this paper.The hardware system is used to produce the input signals of single-chip microcomputer.The software system adopts the c software as development environment，able to achieve the DC motor speed control.The experiment and application show that this test system has good performance，and achieve the design requirement.

single chip microcomputer；input signal；DC motor；speed control

TN710

A

1674－6236（2016）22-0158-03

2015-11-28稿件編號(hào)：201511280

李美艷（1974—），女，陜西乾縣人，碩士，講師。研究方向：自動(dòng)控制技術(shù)。