基于單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘欣榮

摘 要：為了提高直流電動(dòng)機(jī)的控制精度和生產(chǎn)效率，文章介紹了一種基于單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的硬件部分、軟件部分以及實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了論述，系統(tǒng)經(jīng)應(yīng)用驗(yàn)證，其性能較好地達(dá)到了預(yù)期的各項(xiàng)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)；調(diào)速系統(tǒng)；單片機(jī)

長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)因其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)比較靈活，方法簡(jiǎn)單，易于大范圍平滑調(diào)速，控制性能好等特點(diǎn)，一直在傳動(dòng)領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等工廠自動(dòng)化設(shè)備中。隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各個(gè)行業(yè)對(duì)直流電機(jī)的需求愈益增大，并對(duì)其性能提出了更高的要求。

1.系統(tǒng)簡(jiǎn)介

直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)。在很多需要電力拖動(dòng)的實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域，電動(dòng)機(jī)要與生產(chǎn)工藝配合必須要求可以調(diào)速。與交流電機(jī)相比，直流電機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，可以平滑調(diào)速、過(guò)載能力強(qiáng)、不受電機(jī)功率限止等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以在許多行業(yè)中廣泛應(yīng)用。

2.系統(tǒng)硬件

2.1 總體

本次是采用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，可控整流電路作為調(diào)壓電路。

（1）電動(dòng)機(jī)部分

在電動(dòng)機(jī)主電路中可控整流電路采用單相半控橋式電路，為電機(jī)電樞提供脈動(dòng)式直流電壓，勵(lì)磁部分采用固定橋式整流電路。由于電機(jī)為大電感負(fù)載，為了使單相半波整流電路正常工作，在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管消除負(fù)電壓的影響。其中快速熔斷器用來(lái)實(shí)現(xiàn)可控硅的過(guò)電流保護(hù)，阻容串聯(lián)電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)可控硅過(guò)電壓保護(hù)。

（2）單片機(jī)部分

單片機(jī)控制系統(tǒng)由單片機(jī)、人機(jī)對(duì)話電路、同步信號(hào)獲得電路、觸發(fā)脈沖整形及驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。

本次選用AT89C51 單片機(jī)，它有4 KB 的ROM、128 B的RAM、兩個(gè)16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器、4個(gè)8位并行口、全雙工串行口，可以滿足要求。

2.2單元電路

2.2.1同步信號(hào)電路

同步信號(hào)電路由同步信號(hào)獲得電路、整形電路、脈沖方向變換電路組成，正弦交流電經(jīng)同步變壓器獲得與主電路同步變化的過(guò)零點(diǎn)信號(hào)，經(jīng)LM339組成的過(guò)零比較器將正弦波變換成脈沖波，經(jīng)74lLS123將脈沖波的上升沿轉(zhuǎn)換成下降沿以滿足單片機(jī)中斷的要求。

（1）LM339

LM339稱為四路差動(dòng)比較器，是比較常見(jiàn)的一種集成電路，有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器裝在其芯片內(nèi)部，該電壓比較器的特點(diǎn)及參數(shù)設(shè)置在此就不列舉說(shuō)明了，可查閱相關(guān)資料，它類似于運(yùn)算放大器，但是它的增益不可調(diào)。我們可以利用LM339的特性，組成各種振蕩器電路，還可以組成各種電壓比較器電路，而且弱信號(hào)用LM339檢測(cè)是比較理想的。由于LM339使用的靈活性，使得其應(yīng)用非常廣泛。

（2）74LS123

經(jīng)LM339 后的信號(hào)成為脈沖波信號(hào)，但單片機(jī)INT1是邊沿觸發(fā)。因此，要使脈沖方向變換，信號(hào)必須還要經(jīng)過(guò)整形。74LS123是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它的內(nèi)部有兩個(gè)相互獨(dú)立的單穩(wěn)，除了外接的定時(shí)電阻，還有定時(shí)電容，二者共同決定了單穩(wěn)輸出的脈寬。

2.2.2人機(jī)對(duì)話模塊電路

（1）要求及芯片選用

人機(jī)對(duì)話模塊需要8個(gè)LED顯示數(shù)碼管，4×4輸入鍵盤，整個(gè)電路模塊采用可編程鍵盤。根據(jù)以上設(shè)計(jì)任務(wù)要求，決定芯片選擇如下：顯示接口選用8279，段驅(qū)動(dòng)采用74LS244、74LS138譯碼器和74LS451組成位驅(qū)動(dòng)。

（2）主要元件——8279接口芯片

Intel8279芯片是一種通用的可編程序的鍵盤、顯示接口芯片。它既具有按鍵處理功能，又具有自動(dòng)顯示功能，因此被廣泛應(yīng)用在單片機(jī)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。鍵盤控制部分可控制8×8=64個(gè)按鍵，顯示RAM容量為16×8，即顯示器最大配置可控制16位LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示。掃描方式分譯碼和編碼兩種，由于用譯碼方式外接顯示管不能多于4位，所以采用編碼方式，而采用編碼方式需要配合適當(dāng)?shù)淖g碼器完成譯碼功能，本次設(shè)計(jì)選用74LS138 譯碼器。

2.2.3驅(qū)動(dòng)電路及輸出信號(hào)

（1）電路

輸出信號(hào)及驅(qū)動(dòng)電路的作用是將單片機(jī)的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路信息傳送給電機(jī)，控制電機(jī)的啟動(dòng)、停止和運(yùn)轉(zhuǎn)。該部分電路主要由74LS123、兩只NPN型的三極管、74LS02，以及觸發(fā)變壓器組成。

（2）工作原理

單片機(jī)將P2.0 管角輸出信號(hào)送給74LS123，觸發(fā)74LS123經(jīng)Q端送出定寬脈沖信號(hào)用來(lái)使三極管Q2導(dǎo)通，Q2集電極與脈沖變壓器C30初級(jí)相連，這時(shí)脈沖變壓器初級(jí)有電流流過(guò)，次級(jí)將產(chǎn)生脈沖電壓觸發(fā)可控硅導(dǎo)通。74LS123觸發(fā)脈沖變壓器的觸發(fā)信號(hào)的寬度計(jì)算：選Cext=0.1 uF；Rext =10 kΩ，則

Tw=0.45×10 kΩ×0.1 uF=0.45 s。

本次選用的脈沖觸發(fā)變壓器型號(hào)為KCB-041B，用它作為輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路。該變壓器需與可控硅配套使用，接在控制觸發(fā)單元與可控硅控制極之間，主要作用一是傳遞觸發(fā)脈沖，再者是用來(lái)隔離強(qiáng)電與弱電。

單片機(jī)的P2.1端口是用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，輸出低電平，經(jīng)74LS02 反相，送給三極管Q1 的基極，使三極管導(dǎo)通。三極管的集電極與電動(dòng)機(jī)繼電器的線圈相連，當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，繼電器線圈有電流流過(guò)，銜鐵吸和，電機(jī)啟動(dòng)。

2.2.4電機(jī)的控制電路

電機(jī)控制電路部分的作用是控制直流電機(jī)的調(diào)速。電機(jī)控制電路主要由單相半控橋式整流電路、固定橋式整流電路以及續(xù)流二級(jí)管等組成。單向可控硅實(shí)際就是一種可控整流元件，能在外部控制信號(hào)作用下由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通，但一旦導(dǎo)通，即使去掉外部信號(hào)，也無(wú)法斷開(kāi)電路，只能靠去除負(fù)載或降低其兩端電壓使其關(guān)斷。外部觸發(fā)脈沖信號(hào)加入到可控硅的先后，決定了可控硅導(dǎo)通的先后，在工頻交流電220 V每個(gè)正半周內(nèi)可控硅導(dǎo)通的電角度叫導(dǎo)通角θ，θ是用來(lái)表示可控硅在承受正向電壓的半個(gè)周期的導(dǎo)通范圍的。通過(guò)改變導(dǎo)通角θ，可以改變電動(dòng)機(jī)上電樞電壓值，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也將會(huì)隨其改變而變化。根據(jù)任務(wù)計(jì)算可控硅的參數(shù)。設(shè)工頻交流電壓U2max=220 V，Iom=2 A，可控硅和續(xù)流二級(jí)管承受的最大電壓為：UTM = 2U2 =311 V ，其電流的有效值為：IT=1.11×2 A=2.22 A。

可控硅的型號(hào)計(jì)算為：額定電壓UTn=（2～3）UTM=622～933 V ，本次設(shè)計(jì)選擇600 V；額定電流IT（AV）=（1.5～2）IT 1.57=2.1～2.8 A ，選擇2 A。

3.結(jié)束語(yǔ)

總之，電動(dòng)機(jī)的數(shù)字控制是電動(dòng)機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì)，用單片機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制的最常用的手段。本系統(tǒng)采用單片機(jī)做控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，功能實(shí)現(xiàn)良好，性能可靠，成本低，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

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