【正文】 基于單片機控制直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計 摘要 直流電機是人類最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機。設(shè)計主要介紹了以單片機 AT89S51 為核心控制器件的直流電機調(diào)速系統(tǒng)，基于單片機控制的 PWM 直流電機調(diào)速的方法和 PWM 的基本工作原理以及實現(xiàn)方法。最后在軟件方面，介紹了主程序、鍵盤掃描子程序、 PWM 信號發(fā)生程序、測速子程序和顯示子程序。單片機具有小巧靈活、成本低、可靠性好、適應(yīng)溫度范圍寬、易擴展、控制功能強等優(yōu)點。在系統(tǒng)調(diào)試和升級時，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便且無零點漂移。由于電機調(diào)速性能決定著產(chǎn)品的質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率的提高。為了滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對直流電機調(diào)速提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電樞 電壓調(diào)速等技術(shù)已遠遠不能滿足現(xiàn)代科技的要求，通過 PWM 方式控制直流電機調(diào)速的方法就應(yīng)運而生。 通過學(xué)習(xí)并熟練掌握這個調(diào)速系統(tǒng)，對我今后的工作有十分重要的意義。 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。 國內(nèi)外電機控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 常用的控制直流電機調(diào)速有以下幾種方法：第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。但發(fā)電機 —電動機調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機和一些輔助勵磁設(shè) 備，因而體積大，維修困難等。第四， 1957 年世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其他變流元件相比，晶閘管具有許多獨特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強大的生命力 [3]。同時，控制電路也實現(xiàn)了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。近年來，一些先進國家陸續(xù)推出并大量使用以微機為控制核心的直流電氣傳動裝置，如西門子公司的SIMOREG K6RA2 ABB 公司的 PAD/PSD 等等 [4]。 國外主要電氣 公司如瑞典 ABB 公司、德國的西門子公司、 AEG 公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國的 GE 公司、西屋公司等，均已經(jīng)開發(fā)出多個數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。隨著 PWM 技術(shù)的發(fā)展，我國直流電機調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制方向發(fā)展。目前，不論在同步電機調(diào)速方面，還是異步電機調(diào)速方面， PWM 變頻調(diào)速是眾多交流調(diào)速方式的佼佼者。通常一套繞組只能換接成兩種磁極對數(shù)。 變極調(diào)速的主要優(yōu)點是 設(shè)備簡單、操作方便、機械特性較硬、效率高、既適用于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，又適用于恒功率調(diào)速；其缺點是有極調(diào)速，因而只適用于不需平滑調(diào)速的場合。 變頻、變極都是改變同步轉(zhuǎn)速以達到調(diào)速的目的，無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率僅由轉(zhuǎn)子繞組銅損耗構(gòu)成，基本不變，所以從能量轉(zhuǎn)換角度來看，又稱轉(zhuǎn)速功率不變型，其效率最高。轉(zhuǎn)差回饋型就是將轉(zhuǎn)速功率大部分回饋給電網(wǎng)，所以效率介于消耗型和不變型之間。 同步電動機的調(diào)速方法 同步電機的調(diào)頻只有兩種方式：調(diào)節(jié)定子和轉(zhuǎn)子的極對數(shù)比例、變頻。而正是這個直流轉(zhuǎn)換過程使 PWM 變頻電路更具靈活性。因為磁通增加，將引起鐵芯過分飽和，勵磁電流急劇增加，導(dǎo)致繞組過分發(fā)熱，功率因素降低；而磁通減少，將使電動機輸出轉(zhuǎn)矩下降，如果負載轉(zhuǎn)矩仍維持不變，勢必導(dǎo)致定子、轉(zhuǎn)子過電流，也要產(chǎn)生過熱，故希望保持磁通恒定。對 1E 和 1f 進行適當(dāng)?shù)目刂疲涂梢允箽庀洞磐?m? 保持額定值不變。 課題研究內(nèi)容及目標(biāo) 根據(jù)直流電機調(diào)速的控制要求確定整體的設(shè)計方案 ，完成單片機控制的 PWM 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。 (5)測速元件的選用：測速元件有很多，本設(shè)計選用霍爾元件測速，在電機中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度傳送給單片機。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。 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。 單片機控制的 PWM 直流電機調(diào)速系統(tǒng)的主要功能包括：實現(xiàn)對直流電機的加速、減速和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及啟動、停止的控制，能夠很方便地實現(xiàn)電機智能控制。該單片機控制的 PWM 直流電機調(diào)速系統(tǒng)主要是由以下幾個電路模塊組成： 輸入模塊：這一部分主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來實現(xiàn)對直流電機的加速、減速以及電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和啟動、停止控制。 總體方案比較與選擇 方案一：直接加直流電源來控制電機的轉(zhuǎn)動速度：根據(jù)電機在其額定電壓時，電機有一定的額定轉(zhuǎn)速。 圖 21 直流電機調(diào)速硬件 框圖 方案三：采用 AT89S51 單片機進行控制。 AT89S51是 ATMEL 在 2021 年推出的 新型單片機品種。方案二不能及時地從電機那里得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)動速度，而是直接從程序那兒調(diào)用相應(yīng)的數(shù)值給數(shù)碼管顯示。 電機調(diào)速控制模塊方案比較 方案一：采用電阻網(wǎng)路或數(shù)字電位器調(diào)整電機分壓，從而達到調(diào)速的目的。 方案三：采用由復(fù)合三極管組成的 H 型 PWM 電路。 PWM信號產(chǎn)生與放大 單片機AT89S51 A/D轉(zhuǎn)換器 濾波電路 測速電機 電機 2 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 化工學(xué)院 9 基本原理分析 直流電機的調(diào)速原理 直流電機結(jié)構(gòu)多樣，但不論什么樣的直流電機都由定子和轉(zhuǎn)子。不同勵磁方式，直流電機的機械特性曲線也不同。 方案一：基于 NE55 SG3525 等一系列的脈寬調(diào)速系統(tǒng)：此種方式采用 NE555 作為控制電路的核心，用于產(chǎn)生控制信號。圖 23 給出 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理電路及其輸出波形。所以改變 ? 就可以達到調(diào)壓的目的。利用單片機的定時計數(shù)器外加軟件延時等方式來實現(xiàn)脈寬的自 由調(diào)整，此種方式可簡化硬件電路，操作性強等優(yōu)點。當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng) [8]。而產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓。計算機的運行情況輸出到顯示器 ，操作者可以很方便地利用鍵盤和 顯示器 與計算機對話，對 程序 進行修改、 編輯 ，控制和 觀察 計算機的運行。每個獨立式按鍵單獨占有一根 I/O 接口線，每根 I/O 接口線的工作狀態(tài)不會影響其青海大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計： 基于單片機控制直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計 12 化工 學(xué)院 它 I/O 接口線的工作狀態(tài)。其中按鍵式鍵盤是最常用的。非編碼鍵盤有兩種結(jié)構(gòu)：獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。定時掃描通常利用單片機內(nèi)定時器產(chǎn)生的定時中斷，進入中斷子程序來對鍵盤進行掃描，在有鍵按下時識別出該鍵，并執(zhí)行相應(yīng)鍵的處理程序。抖動持續(xù)時間的長短與開關(guān)的機械特性有關(guān)，一般在 510ms 之間。行列式鍵盤中按鍵的數(shù)量可達行線數(shù) n 乘以列線數(shù) m，如 4 行、 4列行列式鍵盤的按鍵數(shù)可以達到 44＝ 16 個。行線通過一個上拉電阻接到 +5V 電源上，在沒有鍵按下時，行線處于高電平狀2 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 化工學(xué)院 13 態(tài)（若 I/O 口內(nèi)部有上拉電阻則無需再加上拉電阻）。它是由若干個發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或一個筆畫發(fā)亮。共陰極 LED 顯示器的發(fā)光 二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地。 圖 27 LED 的共陽極、共陰極接法 LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式。 電機驅(qū)動芯片的選擇 設(shè)計的核心部分就是對小型直流電動機進行可逆的 PWM 調(diào)速控制。不過在應(yīng)用領(lǐng)域， L298 使用比較廣泛， L298 是雙Ｈ橋式驅(qū)動器。輸出電流也很大，瞬間峰值電流可達 3A，持續(xù)工作電流可達 2A。改變旋轉(zhuǎn)方向時，輸出電動勢的極性即相應(yīng)改變。 方案 二 中具體的記數(shù)方法是通過單片機記數(shù)時間 S（秒）內(nèi)的脈沖數(shù) N，從而計算得到每分鐘的轉(zhuǎn)速： M=N/S60。這種傳感器是一個 3 端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開路（ OC）門輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。在粘磁鋼時要注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘之前可以先手動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試。 CS3020 的電特性和磁特性分別見表 22 和表 23： 表 22 CS3020 的電特性 表 22 CS3020 的電特性參數(shù) 符號 測試條件 最小值 典型值 最大值 單位 電源電壓 Vcc 24 V 輸出高電平電流 Voh IOUT=20mA,BBOP 10 uA 輸出低電平電壓 Vol VOUT=24V,BBPR 200 400 mV 電源電流 Icc Vcc=輸出開路 8 mA 輸出上升時間 tr RL=820? uS 輸出下降時間 tf CL=20pF uS 表 23 CS3020 的磁特性 參數(shù) 符號 最小值 典型值 最大值 單位 工作點 BOP 22 35 mT 釋放點 BRP 5 mT 回差 Btrys 2 mT 系統(tǒng)硬件組成 本設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)主要是由：單片機、驅(qū)動電路、直流電機、測速元件、接口電路、顯示器、青海大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計： 基于單片機控制直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計 16 化工 學(xué)院 鍵盤等部分組成。 AT89S51 單片機 直 流 電 機 霍爾測 速元件 獨立 鍵盤 L298 LED顯示 PWM 控制 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 化工學(xué)院 17 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)計是基于單片機控制的 PWM 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。 表 31 55LCX1 主要技術(shù)指標(biāo) 55LCX1 峰值堵轉(zhuǎn) 連續(xù)堵轉(zhuǎn) 最大空載轉(zhuǎn)速 r/min 轉(zhuǎn)矩 N? m 電流 A 電壓 V 轉(zhuǎn)矩 N? m 電流 A 電壓 V 27 9 2021 AT89S51 單片機特性及管腳說明 上一章在系統(tǒng)總體方案設(shè)計中已經(jīng)對微控制器 AT89S51 簡單介紹了，本節(jié)將在上一章的基礎(chǔ)上對微控制器作詳 細地闡述。 青海大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計： 基于單片機控制直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計 18 化工 學(xué)院 ● VppEA/ ：外部程序存儲器地址允許輸入端 /固化編程電壓輸入端（ enable address/voltage pulse of programming）。 ● PROGALE / ：地址鎖存允許信號端。 ●PSEN ：程序存儲器允許輸出信號端（ program store enable）。 ●P0口： ~。 ●P2口： ~。直流穩(wěn)壓電源又分成線性直流穩(wěn)壓電源和開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，因為線性直流穩(wěn)壓電源電路成熟，穩(wěn)定度高，文波小，干擾小而且有很多是成熟集成元件可選擇，電路十分簡單 [12]。而直流穩(wěn)壓電路輸出端的電容 C6 和 C7 是用作改善穩(wěn)壓電源電路的瞬態(tài)負載響應(yīng)特性。圖中 C4 是一個大容量的電解電容，起到低頻濾波的作用。 ●P3口： ~。 ●P1口： ~。 AT89S51 可以利用 PSEN 及 RD 引腳分別啟用存在外部的 RAM 與 EPROM，使得數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器可以合并在一起而共用 64K 的定址范圍。當(dāng)不訪問片外存儲器時， ALE 信號可用作對外輸出時鐘或定時信號。當(dāng)程序計數(shù)器 PC的值超過 4KB 時，將自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外存儲器 ROM 內(nèi)的程序。 （ 2） AT89SS51 引腳功能介紹， AT89S51 引腳如圖 31 所示： ●Vcc： AT89S51 電源正端輸入，接 +5V； ●Vss：電源接地端； ●XTAL1：單芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸入端； ●XTAL2：系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端； ●RST/VPD： RST 是復(fù)位信號，高電平有效，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平將使單片機復(fù)位。本系統(tǒng)控制對象是 55LCX1 永磁式直流力矩電動機，主要技術(shù)指標(biāo)如表 31。在直流電機中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度信號傳送到 AT89S51， AT89S51 進行定時計數(shù)，計算出直流電機每分鐘的轉(zhuǎn)速，并送 LED 顯示。 霍爾傳感器 CS3020 工作頻率寬（ 100KHz），開關(guān)速度快，沒瞬間抖動，電源電壓范圍寬，能直接和晶體管及 TTL、 MOS 等邏輯電路接口，并且還有壽命長，體積小，方便安裝等優(yōu)點。 2 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 化工學(xué)院 15 圖 28 CS3020 使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，其機械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸