基于單片機(jī)的船舶直流電機(jī)調(diào)速測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李小斌

（秦皇島港股份有限公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

相對(duì)于交流電機(jī)，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)快、轉(zhuǎn)矩大，很多場(chǎng)合都把直流電機(jī)作為主要控制對(duì)象[1]。為了最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備全自動(dòng)控制，首先就要解決直流電機(jī)的調(diào)速、測(cè)速問(wèn)題。結(jié)合船舶特點(diǎn)，通過(guò)改變直流電機(jī)電樞供電電壓的方式進(jìn)行調(diào)速，相比改變電樞電阻或主磁通的方式調(diào)速更容易實(shí)現(xiàn)，且該方式在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)比較容易實(shí)現(xiàn)平滑地進(jìn)行速度調(diào)整；直流電機(jī)改變轉(zhuǎn)向的方式很簡(jiǎn)單，可以通過(guò)改變接入電流正負(fù)極的方式輕松實(shí)現(xiàn)；直流電機(jī)測(cè)速可以通過(guò)單片機(jī)采集編碼器在單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)量，分析計(jì)算出一段時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，并通過(guò)編碼器信號(hào)A、B 相之間的相位關(guān)系判斷電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)狀態(tài)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由以下6 部分組成：①AT89C51作為主控芯片，負(fù)責(zé)邏輯運(yùn)算及控制；②LCD1602作為顯示部件，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示；③獨(dú)立LED指示燈用來(lái)顯示電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)向及啟停狀態(tài)；④獨(dú)立按鍵控制電機(jī)轉(zhuǎn)向及啟停狀態(tài)；⑤滑動(dòng)變阻器模擬脈沖寬度調(diào)制電路最終輸出的電壓，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整；⑥電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、加速減速等。系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 船舶直流電機(jī)調(diào)速測(cè)速系統(tǒng)原理

1.1 主控系統(tǒng)

本系統(tǒng)只需要通過(guò)外部中斷采集脈沖數(shù)量、邏輯判斷及簡(jiǎn)單的引腳置位等即可完成預(yù)期功能，不涉及大量數(shù)據(jù)運(yùn)算及高速采集等任務(wù)，所以最終選取51 單片機(jī)作為主控芯片。由于51 單片機(jī)系統(tǒng)資源有限，尤其是外部中斷數(shù)量及定時(shí)器資源有限，目前只能完成一個(gè)直流電機(jī)的調(diào)速測(cè)速的工作，若需要一個(gè)系統(tǒng)同時(shí)完成多個(gè)直流電機(jī)的調(diào)速測(cè)速工作，則需要選取功能更強(qiáng)的單片機(jī)。

1.2 顯示部件

考慮到本系統(tǒng)需要顯示的信息只有轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，對(duì)顯示器件要求不高，最終選取LCD1602 作為顯示器件。該屏幕編程方便、體積小，足以滿足該系統(tǒng)需求。如果需要進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)提高穩(wěn)定性，可將此顯示屏更換為數(shù)碼管顯示。

1.3 LED 指示燈電路

正轉(zhuǎn)指示燈、反轉(zhuǎn)指示燈、啟動(dòng)停止指示燈，3 路獨(dú)立LED 指示燈共陽(yáng)極，由單片機(jī)引腳直接控制。當(dāng)單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳置低電平時(shí)，LED 燈形成回路，點(diǎn)亮，用于指示電機(jī)轉(zhuǎn)向及啟停狀態(tài)。

1.4 正反轉(zhuǎn)及啟停電路

正轉(zhuǎn)按鍵、反轉(zhuǎn)按鍵、啟動(dòng)停止按鍵3 路獨(dú)立按鍵，一端共同接地，另一端每一路都單獨(dú)接入單片機(jī)引腳。當(dāng)按鍵按下，對(duì)應(yīng)單片機(jī)引腳接地，電平變?yōu)?，單片機(jī)掃描到該I/O 接口的電平變化，按照程序邏輯驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)或啟停。

1.5 調(diào)速電路

本系統(tǒng)使用獨(dú)立的外部直流穩(wěn)壓源供電，通過(guò)調(diào)整電壓達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。采用滑動(dòng)變阻器分壓后的電壓模擬穩(wěn)壓源輸出的電壓（圖1），使用該方式可以非常直觀、方便地對(duì)直流電機(jī)調(diào)速，但是由于直流穩(wěn)壓源容量有限，電機(jī)功率不能過(guò)大。

1.6 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路采用典型的H橋控制電路。單片機(jī)可通過(guò)此電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行編碼調(diào)制。例如，使用的直流電機(jī)額定電壓為12 V，最終調(diào)制的PWM 波形占空比為50%，則直流電機(jī)實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓為6 V。較高的開(kāi)關(guān)頻率容易造成電路損耗大，電機(jī)發(fā)熱等情況，降低效率，所以本系統(tǒng)只使用H 橋控制正反轉(zhuǎn)。

1.7 直流電機(jī)測(cè)速電路

本系統(tǒng)將編碼器A 相輸出的脈沖信號(hào)接入單片機(jī)P3^2 引腳即外部中斷INT0，再配合定時(shí)器循環(huán)中斷，即可計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速，具體算法為：假設(shè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1 圈，A 相輸出脈沖24 個(gè)，定時(shí)器中斷到達(dá)1 s 時(shí)，查詢(xún)外部中斷次數(shù)為240 次，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min。編碼器A、B 相輸出相位之間相差90°，所以當(dāng)A 相正跳變時(shí)，如果B 相為高電平那么電機(jī)此時(shí)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，反之則電機(jī)處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)。電機(jī)正轉(zhuǎn)波形如圖2 所示。

圖2 電機(jī)正轉(zhuǎn)波形

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真

經(jīng)過(guò)Proteus 原理圖路仿真，實(shí)驗(yàn)證明設(shè)計(jì)可行（圖3）。點(diǎn)擊按鍵“FORWARD KEY”之后，“MOTOR CONTROLA”側(cè)為低電平，此時(shí)Q3 處于截止?fàn)顟B(tài)，則Q2 的B 極為高，同樣處于截止?fàn)顟B(tài)，Q7、Q1 的B 極均為高，此時(shí)導(dǎo)通，所以電機(jī)左側(cè)為正；“MOTOR CONTROLB”側(cè)為高電平，Q6 導(dǎo)通，則Q5 導(dǎo)通，同時(shí)Q4、Q8 截止，所以電機(jī)右側(cè)為負(fù)，此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)。且當(dāng)電機(jī)以正向24.9 r/min 的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，LCD1602 顯示“Z”（表示正向），檢測(cè)轉(zhuǎn)速為25.0 r/min，正向指示燈點(diǎn)亮；當(dāng)點(diǎn)擊按鍵“REVERSAL KEY”之后，“MOTOR CONTROLA”側(cè)為高電平，“MOTOR CONTROLB”側(cè)為低電平，各三極管狀態(tài)同同正向時(shí)狀態(tài)相反，直流電機(jī)左側(cè)為電源負(fù)極，右側(cè)為電源正極，電機(jī)反轉(zhuǎn)。且當(dāng)電機(jī)以反向24.9 r/min的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，LCD1602 顯示“F”（表示反向），檢測(cè)轉(zhuǎn)速為25.0 r/min，反向指示燈點(diǎn)亮。系統(tǒng)控制、檢測(cè)、顯示程序正常。

圖3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

給出了一種基于單片機(jī)的調(diào)速測(cè)速方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)工作正常，能滿足船舶上對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速測(cè)速需求，造價(jià)低廉，原理簡(jiǎn)單。但該系統(tǒng)還有許多需要方面有待完善，如該系統(tǒng)沒(méi)有通信能力，只能本地操作等。該系統(tǒng)只用H 橋驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，沒(méi)有采用PWM 方式調(diào)壓控制轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定性及效率還有待驗(yàn)證。希望日后能逐漸完善該系統(tǒng)，早日轉(zhuǎn)換為實(shí)際產(chǎn)品，為船員帶來(lái)更多技術(shù)便利。