【正文】 向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機 的廣泛使用 ，使直流電機 控速 設(shè)計 又 步入到了一個全新的高度，從此我們可以更加 智能化、 更加 可靠 的完成系統(tǒng)要求的控制，并且該過程還更加簡單化，只要需要甚至一個只有一點電路基礎(chǔ)的人在短時間內(nèi)也能學(xué)會這項控制技術(shù) 。 類比于交流電機， 直流電機調(diào)速基本原理是簡單 的 ， 甚至 只要改變電壓就可以 控制 轉(zhuǎn)速。 但除此之外， 最常見的一種PWM 脈寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電機的輸入占空比就可以控制電機的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。 PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀 80 年代以前一直未能實現(xiàn)。直到進入上世紀 80 年代，隨著全 控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展， PWM 控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用， PWM 控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展 ， 到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù)。 [1] 目的和意義 直流電動機 在 制動性能 ， 在平滑調(diào)速 等方面都有良好的效果 ，在許多需要調(diào)速或快速正反向的 制動 領(lǐng)域中 都有著 廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào)速依然是建立在 交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ) 上 。早期直流電動機的控制 多以 模擬電路為基礎(chǔ)，采用運放、非線性集成電路 及 一定 的數(shù)字電路 混合構(gòu)成 ，控制系統(tǒng)的硬件部分 往往很復(fù)雜 ， 而且在 功能，系統(tǒng)靈活 性 、調(diào)試 等方面還十分不理想 ， 這些限制了 直流電機控制技術(shù)的發(fā)展 以及 應(yīng)用。 但 隨著單片機 在控制方面的嶄露頭角 ，使得 大量的 控制功能及算法可以 通過 軟件技術(shù)來完成，為直流電動機的控制提供了相當(dāng)大的 靈 活性 ，并使 系統(tǒng) 的 各方面 性能 都有顯著的提高 。 并且由 單片機構(gòu)成 的張平：數(shù)字式直流電機控速系統(tǒng)設(shè)計 2 控制系統(tǒng) 有效的 節(jié)約 了 人力資源和系統(tǒng)成本， 進而 提高 了 工作 的 效率。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用 的 模擬元件，雖在一定程度上 可以 滿足生產(chǎn)要求，但是因為元件 的 老化和外界干擾 的 影響， 以及 線路復(fù)雜、通用性差，控制 效果 易 受到元 件性能 ，天氣， 溫度等 方面 因素的影響， 所以 系統(tǒng)的可靠性 方面十分的不理想 ，甚至事故 頻出 。 現(xiàn)在 ，直流電機 控 速系統(tǒng) 的 數(shù)字化已經(jīng) 日趨成熟 ，伴隨著電子技術(shù)的 高速 發(fā)展，直流電機調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機調(diào)速技術(shù)又進入到一個 嶄新 的階段，智能化、高可靠性已 不可避免的 成為了 它發(fā)展的 新 趨勢 。 研究方法 本文主要利用 AT89C52 系列單片機 的靈活工作特點 ，通過 脈沖調(diào)速 方式控制電機的 轉(zhuǎn)動 。 PWM 控制技術(shù) 因 其簡單、靈活和 穩(wěn)定 的優(yōu)點而 在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 ， 同時 也是人們研究的 熱點。由于科學(xué)技術(shù)的 飛速 發(fā)展已經(jīng) 開始模糊了學(xué)科之間的 界限 ，現(xiàn)代控制理論思想 很可能 會成為 PWM 控制技術(shù)發(fā)展的 主流方向。 本文就是利用這種控制方式來改變電壓的占空比實現(xiàn)直流電機速度的控制。文章中采用了專門的芯片組成了 PWM 信號發(fā)生系統(tǒng)，然后通過 一定處理 來驅(qū)動電機。利用 光柵測速 測得電機 轉(zhuǎn)動情況 ，把 光電 信號輸入給轉(zhuǎn)換芯片最后 又 反饋給單片機，在 對信號的處理完成之后 ，輸出 相應(yīng)的 控制量，實現(xiàn)電機的調(diào)速控制。 本章小節(jié) 本章先分析了直流電機在現(xiàn)代化生產(chǎn)中不可或缺的位置，在日常生活中扮演的重要角色，比較詳細的闡述了其 在各個方面的應(yīng)用。又分析了直流電機控速在現(xiàn)代化大生產(chǎn)中的重要作用。在之前的時代，由于缺少數(shù)字技術(shù)的支持該系統(tǒng)可以說是遍布漏洞，在系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)調(diào)試，系統(tǒng)設(shè)計維護，通用性等等方面都相當(dāng)?shù)牟怀墒?。極大地限制了直流電機控速系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，但隨著當(dāng)前電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是單片機以及嵌入式技術(shù)的廣泛應(yīng)用，該項技術(shù)一下就達到了一個嶄新的高度，并且想著智能化，多功能化等方向發(fā)展。四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 3 第 2章 總體電路設(shè)計 單片機直流電機調(diào)速簡介：單片機直流調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)對直流電動機的平滑調(diào)速。 脈沖調(diào)速 是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率， 從而改變負載兩端的電壓，達到控制要求的一種調(diào) 速 方法。在 該 系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來 打開 和關(guān)閉 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 的電源 電壓的 “占空比 ”來改變 電機的轉(zhuǎn)動 大小，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。因此，PWM 又被稱為 “開關(guān)驅(qū)動裝置 ”。本系統(tǒng)以 AT89C52 單片機為核心，通過單片機 的控制， 采用 C 語言編程實現(xiàn)對直流電機的 速度檢測以及轉(zhuǎn)動 調(diào)速。 [2] 系統(tǒng)控制方案的分析：本直流電機調(diào)速系統(tǒng)以單片機系統(tǒng)為依托，根據(jù) PWM調(diào)速的基本原理，以直流電機電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的 大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實現(xiàn)對直流電動機的平滑調(diào)速，并通過單片機控制速度的變化。本文所研究的直流電機調(diào)速系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運行的平臺。而軟件部分，是對硬件端口所體現(xiàn)的信號，加以采集、分析、處理，最終實現(xiàn)控制器所要實現(xiàn)的各項功能，達到控制器自動對電機速度的有效控制。 [5] 系統(tǒng)工作原理簡介 本系統(tǒng) 通過檢測光柵的方式來檢測電機的轉(zhuǎn)動情況，再經(jīng)過 AT89C52 型單片機進行信號處理以及誤差矯正，得到電機的實際運動情況，在 輸出 相應(yīng)的控制信號 ， 并且經(jīng)由 H 型電橋形成可用的電機控制信號 ， 控制 直流電機 開始轉(zhuǎn)動 ， 并且實時監(jiān)控其轉(zhuǎn)動情況， 從而實現(xiàn)對電機速度和轉(zhuǎn)向的控制，達到直流電機調(diào)速的目的。 一般來說，電機的工作狀態(tài)是不會簡單的與工作電壓成線性關(guān)系，而且在帶動負載的情況下事情將會變得更加復(fù)雜 ，但是 情況卻可以因為我們的智能程序而有相當(dāng)大的改善（假設(shè)電機確實能夠帶動負載的情況下），在智能系統(tǒng)的實時監(jiān)控之下，如果電機的轉(zhuǎn)速達不到希望的等級 ， 系統(tǒng)是不會死守最初的規(guī)則，其會根據(jù)情況適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)占空比 T 的輸出，假設(shè)轉(zhuǎn)速達不到要求系統(tǒng)會逐級加大占空比 T，直 到達到要求或者電機負載上限。而在轉(zhuǎn)速超過要求時系統(tǒng)又會逐級減小占空比，直到達到要求或占空比為零，甚至輸出反向轉(zhuǎn)動信號，而完成對電機制動。張平：數(shù)字式直流電機控速系統(tǒng)設(shè)計 4 這樣， 我們 終于 可以將其近似地看成是線性關(guān)系。 （具體電路實現(xiàn)見附錄） 系統(tǒng)框圖 本文系統(tǒng)主要由六個獨立部件組成，包括顯示模塊，單片機，邏輯上位機，光電開關(guān)，電機驅(qū)動以及直流電機。其各個模塊的功能如下： 顯示模塊：功能主要是用來顯示數(shù)據(jù)，方便系統(tǒng)與用戶進行直觀的交互，但有上位機存在的情況下，也可以去掉該部分，用戶與系統(tǒng)的交互可以交由上位機來實現(xiàn)。 邏輯上位機：在工作狀態(tài) 下系統(tǒng)是默認存在上位機的，當(dāng)在串行接口接收到有效命令時，即開始執(zhí)行相應(yīng)的指令，完成要求后，再將結(jié)果反饋到上位機。 單片機：完成系統(tǒng)控制的核心模塊，本文系統(tǒng)在該元件的支持下完成其功能。 光電開關(guān)：安裝在需要測量轉(zhuǎn)速的地方，每當(dāng)電機轉(zhuǎn)動一次則產(chǎn)生一個脈沖信號，該信號在經(jīng)過相應(yīng)的處理之后，再發(fā)送到單片機進行檢測。 電機驅(qū)動：一般情況下，單片機的驅(qū)動能力是不足以負載一個直流電機，所以需要經(jīng)過該模塊才能完成對電機的控制。 電機：系統(tǒng)的控制目標。 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)總體設(shè)計圖 單片 機 光電開關(guān) 電機驅(qū)動 電機 顯示模塊 上位機 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 5 本章小結(jié) 本章簡單的介紹了本文系統(tǒng)的工作原理以及系統(tǒng)的設(shè)計思路，將系統(tǒng)的實現(xiàn)邏輯上分成了六個部分，包括顯示模塊，單片機，邏輯上位機，光電開關(guān)，電機驅(qū)動以及直流電機，并簡要介紹了每個模塊的功能。 張平：數(shù)字式直流電機控速系統(tǒng)設(shè)計 6 第三章 電路設(shè)計 PWM 信號發(fā)生電路 脈沖寬度調(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)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用 微處理器 的數(shù)字信號對 模擬電路 進行控制的一種非常有效的技術(shù)。 PWM 控制技術(shù) 以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為 電力電子技術(shù)最 廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合 現(xiàn)代控制理論 思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為PWM 控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。 PWM 的基本原理 PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變負載兩端的電壓，從而達到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。 PWM 可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。 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，并且根據(jù)需要改變一個周期內(nèi) “接通 ”和 “斷開 ”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的 “占空比 ”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉(zhuǎn)速。也正因為如此， PWM 又被稱為 “開關(guān)驅(qū)動裝置 ”。如圖 31 所示： 圖 31 PWM 方波 100ms H0 L 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 7 當(dāng) 電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速 的 最大 值 為 Vmax，設(shè)占空比為 T= H/(H+L)，則電機的平均速度為 Va verge = Vmax * H/(H+L)=Vmax*T ,其中 Va 指的是電機的平均速度； Vmax 是指電機在全通電時的最大速度； T 是指占空比。 由上面的公式 我們可以預(yù)見 ，當(dāng)改變占空比 T = H/ (H+L)時，就可以得到不同的電機平均速度 Va verge ，從而達到 控制轉(zhuǎn)動速度的目標 。 一般來說 ，平均速度Vaverge 與占空比 T 并非嚴格的線性關(guān)系 ，而且在帶動負載的情況下事情將會更加復(fù)雜 ，但是 情況卻可以因為我們的智能程序而有相當(dāng)大的改善（假設(shè)電機確實能夠帶動負載的情況下），在智能系統(tǒng)的實時監(jiān)控之下，如果電機的轉(zhuǎn)速達不到希望的等級 ， 系統(tǒng)是不會死守最初的規(guī)則，其會根據(jù)情況適當(dāng)?shù)恼{(diào) 節(jié)占空比 T 的輸出，如果轉(zhuǎn)速達不到要求系統(tǒng)會逐級加大占空比 T，直到達到要求或者電機負載上限。而在轉(zhuǎn)速超過要求時系統(tǒng)又會逐級減小占空比，直到達到要求或占空比為零。這樣， 我們 終于 可以將其近似地看成是線性關(guān)系。 PWM 的實現(xiàn) 圖 32 PWM 軟件實現(xiàn)邏輯框圖 初始化 達到占空比 等待 1ms N 停轉(zhuǎn) Y 達到 100ms 等待 1ms N Y 開始 張平：數(shù)字式直流電機控速系統(tǒng)設(shè)計 8 脈沖發(fā)生器主要由單片機內(nèi)部的計時器 0 實現(xiàn)，精確度達到了毫秒級，主要有軟件方式來實現(xiàn)占空比的控制。計時器 0 被設(shè)置成計時模式，每隔 1 毫秒其會產(chǎn)生一個中斷信號，系統(tǒng)再根據(jù)需要來判斷這 1 毫秒是否屬 于工作區(qū)間，如果屬于則輸出工作信號，若不屬于則輸出停止工作信號。其具體實現(xiàn)流程如圖 32 所示： 硬件實現(xiàn) 在硬件電路中， PWM 由 AT89C52 的內(nèi)部計時器進行計時，通過引腳 和 產(chǎn)生控制激勵源，具體電路如圖 33 所示： DU 0DU 7DU 1DU 2DU 3DU 4DU 5DU 6DWK e y 2K e y 3K e y 4M _ R X DM _ T X DK e y 3K e y 1K e y 2K e y 5K e y 4K _ c o u n tK e y 1K e y 5Con _ 1Con _ 2X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 2R61 0 kR51 0 kR41