基于單片機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊艷霞

（西安工商學(xué)院，陜西西安，710200）

0 引言

現(xiàn)在電氣傳動(dòng)的主要方向之一是電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，直流電機(jī)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，直流具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，并且隨著現(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，也對(duì)其性能提出了更高的要求。為此，研究并制造高性能、高可靠性的直流電機(jī)控制系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

(1)主控芯片采用89C52單片機(jī)。

(2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)基于H橋驅(qū)動(dòng)器，四個(gè)開(kāi)關(guān)位于“橋臂”位置。由三極管和MOS管作為電子開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)按鍵控制電流流過(guò)不同方向的兩個(gè)三極管，從而使直流電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

(3)顯示模塊選用LCD1602，實(shí)時(shí)顯示直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速及當(dāng)前占空比。

(4)速度檢測(cè)模塊。

在現(xiàn)在的科學(xué)研究環(huán)境下可以尋找到許多有效的能測(cè)出轉(zhuǎn)速的辦法。根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量的辦法主要有M法（測(cè)量頻率法）、T法（測(cè)量周期法）和MPT法（頻率周期法），因?yàn)檗D(zhuǎn)速是以單位頻率時(shí)間內(nèi)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進(jìn)行測(cè)量的，所以在轉(zhuǎn)換過(guò)程中能夠有規(guī)律地依照霍爾效應(yīng)，將擁有永久磁性的磁鋼固定在電機(jī)軸的轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣，讓電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)和轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，磁鋼也隨著它們同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤(pán)下安裝霍爾裝置。當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)沿軸線方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)受到由于磁鐵振蕩而產(chǎn)生的電磁場(chǎng)影響，可以通過(guò)脈沖信號(hào)出現(xiàn)的周期從而能夠計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的速度，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量公式如下所示：

在式子中：n表示電機(jī)轉(zhuǎn)速；P表示電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)；T表示輸出方波。根據(jù)公式即可計(jì)算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速[1]。

2 系統(tǒng)硬件部分

■2.1 最小系統(tǒng)電路

選擇STC/AT89C52單片機(jī)作為該處理模塊的核心，它具有良好的性能，在整個(gè)數(shù)據(jù)處理計(jì)算和運(yùn)算能力方面表現(xiàn)非常的穩(wěn)定，有著很高的執(zhí)行速度。單片機(jī)、晶體振蕩器電路和復(fù)位電路共同構(gòu)成了該處理器的最小核心系統(tǒng)。

■2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

在H橋中通常會(huì)使用4個(gè)N型MOS，大多數(shù)人們不會(huì)使用兩個(gè)N型MOS晶體管和兩個(gè)P型晶體管的原因是：P型MOS晶體管難以實(shí)現(xiàn)耐高電壓和大電流，對(duì)于相同性能的MOS，N型比P型更加的便宜實(shí)惠。

對(duì)于N型MOS來(lái)說(shuō)，如果外部給定的柵極源極Vgs電壓大于芯片的Vgs閾值（大部分在2V~10V之間）時(shí)，則漏極D和源極S之間直接相通。如果外部給定的Vgs電壓小于閾值，則在漏極D和源極S之間被截止。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是由柵極G電壓控制的一個(gè)開(kāi)關(guān)。

系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路示意圖與原理圖如圖2、圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

為了能夠使電動(dòng)機(jī)正常的工作，必須做到使對(duì)角線上的一對(duì)MOS管同時(shí)導(dǎo)通。如圖2所示，當(dāng)D1管和D4管導(dǎo)通時(shí)（這時(shí)必須注意保持D2和D3不能導(dǎo)通），電流就從電源正極經(jīng)D1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)D4回到電源負(fù)極。這個(gè)方向流過(guò)的電流將使直流電機(jī)沿著順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。當(dāng)另一對(duì)MOS管D2和D3導(dǎo)通的時(shí)候（此時(shí)必須注意保證D1和D4不能導(dǎo)通），電流從右至左流過(guò)電機(jī)，此時(shí)，直流電機(jī)會(huì)沿著逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

圖2 H橋驅(qū)動(dòng)電路示意圖

驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，非常重要的一點(diǎn)就是讓H橋同一側(cè)的兩個(gè)MOS管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，如果同一側(cè)的MOS管，D1和D2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從電源正極穿過(guò)兩個(gè)MOS管直接回到負(fù)極，此時(shí)這個(gè)H橋電路中除了MOS管外沒(méi)有其它任何負(fù)載，所以整個(gè)H橋電路上的電流就會(huì)達(dá)到最大值，這個(gè)電流會(huì)使MOS管和電源都被燒壞。D3和D4同時(shí)導(dǎo)通也會(huì)出現(xiàn)這種情況，因此，需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)這一塊的電路。

可以使用開(kāi)關(guān)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，并通過(guò)引入PWM控制來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)整。從調(diào)節(jié)占空比可以達(dá)到控制速度的目的，占空比越大，電壓（電流）的大小和速度的大小越大。PWM頻率一般在10kHz~20kHz之間。如果頻率太低，則電動(dòng)機(jī)速度會(huì)很慢，產(chǎn)生的噪音也會(huì)很大；如果頻率太高，則會(huì)因?yàn)镸OS晶體管的開(kāi)關(guān)損耗而降低系統(tǒng)效率。

■2.3 位置檢測(cè)電路

位置檢測(cè)電路通過(guò)檢測(cè)從直流電動(dòng)機(jī)中霍爾傳感器產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)轉(zhuǎn)速的目的。

使用霍爾位置傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)上磁鋼的位置。當(dāng)磁鋼與霍爾元件相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)霍爾元件感磁面的磁場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生變化。轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鋼靠近霍爾元件，穿過(guò)霍爾元件的磁場(chǎng)較強(qiáng)，霍爾元件輸出低電平；當(dāng)磁場(chǎng)減弱時(shí)，輸出高電平，從而使得在轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，霍爾元件輸出連續(xù)脈沖信號(hào)。

圖4 位置檢測(cè)電路

■2.4 系統(tǒng)按鍵設(shè)置電路

按鍵電路的設(shè)計(jì)對(duì)于控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止以及調(diào)節(jié)速度非常有用，電機(jī)系統(tǒng)使用五個(gè)獨(dú)立的按鍵接口，不同的按鍵通過(guò)按鍵掃描和查詢方式的不同，產(chǎn)生出不同的效果，主要是通過(guò)調(diào)節(jié)PWM來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的速度。

■2.5 系統(tǒng)整體硬件圖

整體硬件電路圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)整體電路圖

3 主要軟件設(shè)計(jì)

直流電機(jī)的主程序控制主要由兩大部分共同組成：主程序、中斷服務(wù)程序，如圖6所示。主程序進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的初始化，在系統(tǒng)上電時(shí)立即開(kāi)始執(zhí)行，直到因?yàn)槌霈F(xiàn)故障進(jìn)行復(fù)位時(shí)才被重新執(zhí)行；中斷服務(wù)程序包含整個(gè)控制系統(tǒng)算法，將在等待循環(huán)中被喚醒執(zhí)行。

圖6 控制系統(tǒng)軟件框圖

如圖7為PWM波生成流程圖，通過(guò)在51單片機(jī)上的軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM。在系統(tǒng)中，通過(guò)設(shè)置I/O輸出模式，獲得了驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和操作直流電機(jī)運(yùn)行速度快慢的PWM波。需要在單片機(jī)中預(yù)先設(shè)計(jì)程序，根據(jù)預(yù)設(shè)定的程序，通過(guò)調(diào)整高低電平在一個(gè)周期內(nèi)的比值，先產(chǎn)生占空比為50%（顯示屏上顯示為zhankongbi：50）的PWM波，之后定時(shí)檢測(cè)判斷是否發(fā)生按鍵中斷，若發(fā)生了按鍵中斷則進(jìn)行占空比更新，輸出新的PWM，最后再進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)判斷；若沒(méi)有發(fā)生按鍵中斷則直接進(jìn)行循環(huán)判斷檢測(cè)。

圖7 PWM波生成流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

首先使用PROTEUS應(yīng)用仿真模擬軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了軟件仿真和調(diào)試。之后，通過(guò)軟件硬件聯(lián)合調(diào)試，當(dāng)按下啟動(dòng)/停止按鈕后，電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，達(dá)到預(yù)先設(shè)定的占空比為50的速度；若要使電機(jī)正轉(zhuǎn)，按下正轉(zhuǎn)按鍵，可以觀察到電機(jī)已經(jīng)開(kāi)始正向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)去按加速按鍵時(shí)，LCD屏幕上占空比的數(shù)值會(huì)加一，電機(jī)的速度會(huì)慢慢地增加；若長(zhǎng)按加速鍵，占空比數(shù)值會(huì)連續(xù)增加，直到增加到最高值100，這時(shí)電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速；此時(shí)如果按減速鍵時(shí)，LCD屏幕上占空比的數(shù)值會(huì)減一，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速慢慢地減??；若長(zhǎng)按減速鍵，占空比數(shù)值會(huì)連續(xù)減小，直到減小到最低值0，這時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)停止。如果按反轉(zhuǎn)按鍵，電機(jī)反方向旋轉(zhuǎn)。最終實(shí)物如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)實(shí)物圖

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)了直流電動(dòng)機(jī)的PWM控制，能夠完成加速、減速、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的控制功能，操作鍵盤(pán)控制操作加速、減速，正向旋轉(zhuǎn)、反向旋轉(zhuǎn)和開(kāi)啟、停止控制功能。采用PWM的方法進(jìn)行調(diào)速控制過(guò)程的主要優(yōu)點(diǎn)就是它具備了比較多的靈活性以及花費(fèi)比較少的成本，它能有效地發(fā)揮單片機(jī)自動(dòng)化控制的優(yōu)點(diǎn)與效能，對(duì)于簡(jiǎn)易速度管理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)而言也就提供了比較有效的方法[2]。