基于直流電機(jī)調(diào)速與測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文以AT89S51單片機(jī)為核心，提出了基于直流電機(jī)調(diào)速與測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，然后給出了系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)，以及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。本方案充分利用了單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有頻率高、響應(yīng)快的特點(diǎn)。

0 引言

直流電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中常用的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成?？刂葡到y(tǒng)的硬件部分復(fù)雜、功能單一，調(diào)試?yán)щy。本方案采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。

1.基于單片機(jī)的PWM直流調(diào)速原理

P W M(脈沖寬度調(diào)制P u l s e W i d t hModulation)簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)，廣泛應(yīng)用在測(cè)量、功率控制與變換等許多領(lǐng)域中。脈寬調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極的偏置，改變晶體管導(dǎo)通時(shí)間。是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

PWM可以應(yīng)用在許多方面，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。 在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”

來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”.PWM的占空比決定輸出到直流電機(jī)的平均電壓。所以通過調(diào)節(jié)占空比，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓無級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)。

2.調(diào)速和測(cè)速系統(tǒng)的主體電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由輸入電路、PWM調(diào)制、測(cè)速電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制部分及顯示等部分組成，PWM調(diào)制選用AT89S51單片機(jī)通過軟件實(shí)現(xiàn)頻率和占空比的調(diào)節(jié)。

2.1 直流電機(jī)調(diào)速的設(shè)計(jì)方案

驅(qū)動(dòng)電路用光耦隔離保護(hù)電路，控制部分由單片機(jī)和外圍電路組成，實(shí)現(xiàn)各種控制要求，外圍電路主要完成對(duì)輸入信號(hào)的采集、操作、對(duì)速度進(jìn)行控制，顯示部分采用四位共陽數(shù)碼管。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

硬件方面以STC89C51單片機(jī)為核心，與復(fù)位電路、晶振電路、驅(qū)動(dòng)電路，測(cè)速電路，鍵盤和LED顯示模塊構(gòu)成最小系統(tǒng)。軟件上通過用C51語言編程產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)的輸出、鍵盤、LED顯示器的數(shù)據(jù)傳輸。通過鍵盤調(diào)節(jié)速度檔位給定值，實(shí)現(xiàn)按給定值跟蹤，在LED顯示器上顯示，最后再由單片機(jī)輸出PWM脈沖信號(hào)，通過測(cè)速電路把轉(zhuǎn)速反饋給CPU并且通過CPU把轉(zhuǎn)速顯示在LED顯示器上，從而達(dá)到想要設(shè)定的轉(zhuǎn)速。

2.2 顯示電路設(shè)計(jì)

LED采用動(dòng)態(tài)顯示方式，通過四位數(shù)碼管顯示電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，方便系統(tǒng)的監(jiān)控，系統(tǒng)用四位共陽數(shù)碼管、采用9012三極管開關(guān)電路驅(qū)動(dòng)、控制數(shù)碼管的顯示。

2.3 復(fù)位電路

單片機(jī)復(fù)位電路就好比電腦的重啟部分，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中，按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動(dòng)從頭開始執(zhí)行。復(fù)位電路采用上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種方式，C3、R21、S1組成復(fù)位電路。

2.4 時(shí)鐘電路

系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。AT89系列單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。

3.直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

從單片機(jī)直接輸出的控制信號(hào)無法直接驅(qū)動(dòng)12V直流電機(jī)，目前大多采用H橋式驅(qū)動(dòng)，為便于制作，驅(qū)動(dòng)模塊采用光電耦合器對(duì)控制電路和主電路進(jìn)行隔離，達(dá)到保護(hù)作用。U3輸出PWM控制信號(hào)通過三極管反相驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3所示。

4.測(cè)速電路設(shè)計(jì)

測(cè)速模塊由U型光電開關(guān)、轉(zhuǎn)盤及外圍電路組成，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤上附有八個(gè)小孔，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周產(chǎn)生八個(gè)脈沖信號(hào)，由此可以把電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的物理量轉(zhuǎn)換成變化的脈沖信號(hào)，經(jīng)Q5開關(guān)驅(qū)動(dòng)輸送到單片機(jī)外部中斷P3.3進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的監(jiān)測(cè)。測(cè)速電路如圖4所示。

設(shè)計(jì)中應(yīng)用了比較常見的光電測(cè)速方法來實(shí)現(xiàn)，其具體做法是將電機(jī)軸上固定一圓盤，在測(cè)速模塊中U型光耦。通過轉(zhuǎn)盤上八個(gè)圓孔，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到孔處時(shí)，發(fā)光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)通，反之三極管截止。

U型光電開關(guān)與轉(zhuǎn)盤的安裝如圖5所示：把轉(zhuǎn)盤固定在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，安裝U型光耦，把光耦插入轉(zhuǎn)盤上，用螺絲固定，轉(zhuǎn)盤邊要安裝在U型光電開關(guān)的槽中間。

5.調(diào)速和測(cè)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C51語言開發(fā)，模塊化設(shè)計(jì)。定時(shí)器中斷工作在16位計(jì)數(shù)方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示、PWM控制。外部中斷采用負(fù)邊沿觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。程序流程圖如圖6.

6.小結(jié)

基于單片機(jī)控制直流電機(jī)的測(cè)速與調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是將輸入的信號(hào)通過單片機(jī)轉(zhuǎn)換后輸出控制信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且能實(shí)時(shí)監(jiān)控直流電動(dòng)機(jī)的速度。由于采用的是PWM控制技術(shù)可以達(dá)到高精度的速度控制。測(cè)速采用光電開關(guān)，輕松實(shí)現(xiàn)速度的檢測(cè)，為此，方案中所設(shè)計(jì)的直流電機(jī)的測(cè)速與調(diào)速系統(tǒng)具有速度輸入、檢測(cè)、顯示、脈寬調(diào)制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等主要電路，便于對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制與顯示。