基于直流電機(jī)調(diào)速與測速系統(tǒng)設(shè)計方案

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

0 引言

直流電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中常用的驅(qū)動設(shè)備，具有良好的起動、制動性能。早期直流電動機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運算放大器、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)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)，廣泛應(yīng)用在測量、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)通時間。是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(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)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。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，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”.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，可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓無級連續(xù)調(diào)節(jié)。

2.調(diào)速和測速系統(tǒng)的主體電路設(shè)計

整個系統(tǒng)由輸入電路、PWM調(diào)制、測速電路、驅(qū)動電路、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)計方案

驅(qū)動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，實現(xiàn)各種控制要求，外圍電路主要完成對輸入信號的采集、操作、對速度進(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)動電路，測速電路，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，通過測速電路把轉(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

LED采用動態(tài)顯示方式，通過四位數(shù)碼管顯示電機(jī)的實際轉(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、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)在運行中，按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動從頭開始執(zhí)行。復(fù)位電路采用上電自動復(fù)位和手動復(fù)位兩種方式，C3、R21、S1組成復(fù)位電路。

2.4 時鐘電路

系統(tǒng)的時鐘電路設(shè)計是采用的內(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)動電路設(shè)計

從單片機(jī)直接輸出的控制信號無法直接驅(qū)動12V直流電機(jī)，目前大多采用H橋式驅(qū)動，為便于制作，驅(qū)動模塊采用光電耦合器對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控制信號通過三極管反相驅(qū)動電機(jī)，實現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。驅(qū)動電路圖如圖3所示。

4.測速電路設(shè)計

測速模塊由U型光電開關(guān)、轉(zhuǎn)盤及外圍電路組成，電機(jī)轉(zhuǎn)動時帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤上附有八個小孔，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一周產(chǎn)生八個脈沖信號，由此可以把電機(jī)轉(zhuǎn)動的物理量轉(zhuǎn)換成變化的脈沖信號，經(jīng)Q5開關(guān)驅(qū)動輸送到單片機(jī)外部中斷P3.3進(jìn)行計數(shù)，實現(xiàn)對電機(jī)速度的監(jiān)測。測速電路如圖4所示。

設(shè)計中應(yīng)用了比較常見的光電測速方法來實現(xiàn)，其具體做法是將電機(jī)軸上固定一圓盤，在測速模塊中U型光耦。通過轉(zhuǎn)盤上八個圓孔，產(chǎn)生脈沖信號。電動機(jī)轉(zhuǎn)到孔處時，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)速和測速系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C51語言開發(fā)，模塊化設(shè)計。定時器中斷工作在16位計數(shù)方式，實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、PWM控制。外部中斷采用負(fù)邊沿觸發(fā)，實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量。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)的測速與調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案是將輸入的信號通過單片機(jī)轉(zhuǎn)換后輸出控制信號通過驅(qū)動電路調(diào)節(jié)直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且能實時監(jiān)控直流電動機(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。測速采用光電開關(guān)，輕松實現(xiàn)速度的檢測，為此，方案中所設(shè)計的直流電機(jī)的測速與調(diào)速系統(tǒng)具有速度輸入、檢測、顯示、脈寬調(diào)制、電機(jī)驅(qū)動等主要電路，便于對電機(jī)速度進(jìn)行控制與顯示。