【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ， 假如刪去原動(dòng)機(jī)，再讓兩個(gè)電刷接通直流電源，像圖 22（ a）展現(xiàn)一樣，就會(huì)有直流電流由電刷 A 流進(jìn)去，途經(jīng)線圈 abcd，最后在電刷 B 流出來，再依照電磁力定律，載流導(dǎo)體 ab 以及 cd 被電磁力所 干擾 ，可由左手定則 來 判斷其方向，兩段導(dǎo)體所受到的力構(gòu)成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，從而讓轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到圖（ b） 所表達(dá)的地方時(shí)，電刷 B 與換向片 1 碰觸，電刷 A 與換向片 2 碰觸，從電刷 A 流進(jìn)來直流電流，電流在線圈中的流動(dòng)方向是 dcba，最后從電刷 B 流出 [13]。 此時(shí)可以由著名的左手定則來判斷導(dǎo)體 ab 以及 cd 遭受到電磁力影響方向，電磁力產(chǎn)生的力依舊使得轉(zhuǎn)子做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。上述可以說是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。即使外面第二章 直流電機(jī)的工作原理 5 加進(jìn)來的是直流電源，但因?yàn)閾Q向片以及換電刷的功能影響，最后從線圈中流過來的電流還是交流的，所以其最終作用的轉(zhuǎn)矩的方向也是不會(huì)改變的。 實(shí)際應(yīng)用中的直流電機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組不是由一個(gè)線圈組成，而是由多個(gè)線圈連接組成 ，用來減少電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，以繞組形式同發(fā)電機(jī)。 圖 22 直流電機(jī)的基本運(yùn)行原理圖 直流電機(jī)的調(diào)速原理 眾所周知，對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的表達(dá)式是 ??? K IRUn (21) 式中 ： U電樞端電壓 I電樞電流 R電樞電路總電阻 Φ每極磁通量 K與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) 從上述關(guān)系可得 ，可以調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的辦法有 ： (1)控制電樞端 平均 電壓可以控制其直流電機(jī)轉(zhuǎn) 動(dòng) 速 度 ，這種方式屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào) 速，因其靈敏度高，可以 應(yīng)用于 要求范圍 廣 無級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng) ； (2)因改變電機(jī)主磁通只可減弱磁通，讓電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)念~定轉(zhuǎn)速向上變速，屬于恒功率調(diào)速方法，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，雖能在無級(jí)平滑調(diào)速，但其調(diào)速范圍小 ； (3)調(diào)節(jié)電樞電路電阻 R 大小在電動(dòng)機(jī)電樞外串聯(lián)電阻進(jìn)行調(diào)速，只能在有級(jí)調(diào)速，還有其平滑性差、效率低、機(jī)械特性偏軟 [14]。 但是 改變 電樞電路電阻大小的 方式其 缺點(diǎn) 不少 ，所以現(xiàn)在 不常 使用這個(gè)方 式 來控制轉(zhuǎn)速；因?yàn)槿醮耪{(diào)速范圍小，需要與調(diào)壓調(diào)速配合使用，這反而多此一舉；于是，自動(dòng)調(diào)速 6 系統(tǒng)主要以調(diào)壓調(diào)速為主，所以本次選 用第一種方法。 本文便是操縱這類操控方法改變電壓占空比來達(dá)成對(duì)直流電機(jī)速度的操縱。 改變電樞電壓 占空比 目前所普遍應(yīng)用的也是主要的有旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、靜止變流裝置以及脈寬調(diào)制（ PWM）變換器三種辦法 [15]。 （ l） 可調(diào)直流電壓可由旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用直流電動(dòng)機(jī)和交流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組獲得，簡(jiǎn)稱GM，這是最開始使用的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。 GM 具有良好的調(diào)速性能，但其所占空間大、系統(tǒng)運(yùn)行麻煩、運(yùn)行的時(shí)候有雜音、而且其運(yùn)行效率低、維護(hù)起來也不方便。 （ 2） 20 世紀(jì) 40 年代，起先 是 用汞弧整流器 以及 閘流管構(gòu)成的靜止變流設(shè)備 替代 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，但 是 在后期馬上被更加 低成本以及 安全的晶閘管變流裝置所 替代 。選用晶閘管變流設(shè)備供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為 VM 系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)電壓來改變晶閘管觸發(fā)控制角。來調(diào)節(jié)整流電壓數(shù)值，最后能調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 VM 在安全性、經(jīng)濟(jì)性、調(diào)速性能都有很大優(yōu)勢(shì)，讓它成為了直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方式。 （ 3)） 脈寬調(diào)制 (PWM)變換器也稱為直流斬波器，其的作用是使用功率開關(guān)器件關(guān)閉和斷開實(shí)現(xiàn)操控，控制通斷時(shí)間比例，將穩(wěn)定的直流電源電壓轉(zhuǎn)換成平均值可控制的直流電壓，也可叫做 DCDC 變換器。 大部分直流電動(dòng)機(jī)是使用 開關(guān)驅(qū)動(dòng)方法啟動(dòng)。開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是能使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)時(shí)，通過用脈寬調(diào)制 PWM 來操控電動(dòng)機(jī)電樞電壓，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 而 本文最核心是研究使用 MCS51 系列單片機(jī)，用 PWM 方法操控直流電機(jī)調(diào)速方式?，F(xiàn)在因?yàn)榭茖W(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展消除了學(xué)科之間的界線，綜合當(dāng)下控制技術(shù)， PWM 操控電機(jī)調(diào)速能力將越來越重要 [16]。 文章中采用單片機(jī)編程技術(shù)設(shè)計(jì) PWM 信號(hào)的發(fā)生程序，接著用電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速控制。 從圖 23 可以知道，當(dāng)電機(jī)接電源時(shí)，最大的轉(zhuǎn)動(dòng)速度值為 maxV ，占空比用 TtD /1? 表示。電機(jī)的平均速度： DVVD ?? max ，從這個(gè)公式中可以知道，調(diào)節(jié)占空比就能獲得任意的電機(jī)速度。 圖 23第三章 系統(tǒng)方案論證 7 第三章 系統(tǒng)方案論證 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 按照論文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求，設(shè)計(jì)了 圖 31 系統(tǒng)方框圖。圖中核心部件為控制器模塊，鍵盤以及顯示器是拿作完成人機(jī)交互功能，把必須設(shè)置的參數(shù)以及狀態(tài)輸入到單片機(jī) 中是由鍵盤完成，最后用控制器投射到顯示器上。正常運(yùn)行進(jìn)程中控制器發(fā)生 PWM 脈沖輸送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，然后 經(jīng)過 放大后 控制 直流電機(jī)轉(zhuǎn) 動(dòng) 速 度 ，最后 用 按鍵來 改變 PWM脈沖占空比， 最后實(shí)現(xiàn) 電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí) 改變的要求 [17]。 圖 31 系統(tǒng)方案框圖 本系統(tǒng)控制對(duì)象是 55LCX 永磁式直流電機(jī)，主要技術(shù)指標(biāo)如表 。針對(duì)要求分別對(duì)電源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，鍵盤部分以及測(cè)速顯示部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。 表 55LCX 主要技術(shù)指標(biāo) 55LCX1 峰值堵轉(zhuǎn) 連續(xù)堵轉(zhuǎn) 最 大空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速 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 控制器模塊設(shè)計(jì)方案 依照設(shè)計(jì)要求，控制器先作用于發(fā)出占空操控的 PWM 脈沖，然后要求直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，按照算法得到此刻所需輸出占空比脈沖。以下為控制器的三種選擇。 方案一：首先系統(tǒng)控制器選用 FPGA，其中文名為現(xiàn)場(chǎng)可編輯門列陣， FPGA 能夠完成很多繁雜的邏輯功能，密度非常高，其把全部器件集成在一塊很細(xì)小芯片上，大大縮小了 8 體積，穩(wěn)定性也得到很大提高，還能使用 EDA 軟件仿 真、調(diào)試，便于實(shí)現(xiàn)功能控制。 FPGA選用并列運(yùn)行的輸入和輸出方式，系統(tǒng)操作速度縮短，能用于大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。將輸入模塊經(jīng)過參數(shù)輸入給 FPGA， FPGA 用程序設(shè)計(jì)來操控 PWM 脈沖的占空比，然而現(xiàn)在對(duì)數(shù)據(jù)處理所需要時(shí)間要求低， FPGA 的飛速完成的優(yōu)點(diǎn)不能完美表現(xiàn)出來，還因?yàn)榧啥容^高，讓經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)加重，又因?yàn)橛写罅啃酒囊_，導(dǎo)致實(shí)物硬件電路板布線加大難度，大大增加了電路設(shè)計(jì)以及焊接的時(shí)間。 方案二：系統(tǒng)控制器采用 AT89S51 的方案。其自由度大、算術(shù)運(yùn)算功能比一般的強(qiáng)，能用多種語(yǔ)言所以軟件編程變通，還能 夠用軟件編程完成全部算法以及邏輯控制。相比FPGA，因?yàn)槠湫酒_不多，能在硬件很簡(jiǎn)單完成。而且它還擁有技術(shù)全面、功率損耗不高、所用本錢不高以及體積小等好處，在許多領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛 [18]。 對(duì)比兩個(gè)方法，選用 AT89S51 比較容易，而且可以達(dá)到目標(biāo)。因此本次設(shè)計(jì)選用方案二。 在選用 51 單片機(jī)時(shí)，還考慮了以下因素， Atmel 公司的 51 單片機(jī)要求配備專門的編程器，這樣就提高了系統(tǒng)成本，但是 Atmel 公司單片機(jī)不但能夠同時(shí)完成 ISP 和 IAP 等大部分下載程序的方式，而且其工作也在寬電壓承載范圍內(nèi)，產(chǎn)生的電壓波動(dòng)對(duì) 系統(tǒng)影響并不大，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。除此而外， Atmel 單片機(jī)的加密性能比其他單片機(jī)要優(yōu)越很多，并且 Atmel 的單片機(jī)是增強(qiáng)型的 51 單片機(jī)。綜上所述，本次選用 AT89S51 單片機(jī)。 本次設(shè)計(jì)使用 51 系列單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種型號(hào)的單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)包括：功耗較低，低電壓環(huán)境工作，屬于性能較高的 CMOS 八位類型。這種單片機(jī)型的內(nèi)部具有一個(gè) 8KB 的只讀程序的 FLASH 存儲(chǔ)器。它可以承受一千次的擦寫，而且可以反復(fù)。它的制造技術(shù)采取了 CMOS 工藝，同時(shí)采用了來自 ATMEI 公司所制造的密度、防易失性都較好的存儲(chǔ)器（ NURAM）。這種技術(shù)的輸出引腳與指令系統(tǒng)都是相互兼容的。綜上所述， AT89S51 型單片機(jī)的功能較強(qiáng)，靈活性比較好，而且成本較低，能夠用于多種方面 [19]。 AT89S51 具有以下的主要性能： 1． 8KB 能改編程序的 Flash 存儲(chǔ)器； 2．全靜態(tài)工作： 024Hz； 3． 2568 字節(jié)內(nèi)部 RAM； 4． 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口； 5． 8 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)； 6． 3 個(gè) 16 位計(jì)數(shù)器； 7．可編程的串行通道； 8．以及片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器。 除此之外， AT89S51 型單片機(jī)在設(shè)計(jì)中采取了靜態(tài)邏輯，而且它的工作頻率能夠 低至0Hz，對(duì)于省電方式的選擇有兩種不同的軟件，即空閑方式（ Idle Mode）或掉電方式（ Power 第三章 系統(tǒng)方案論證 9 Down Mode） [19]。在前一種方式里， RAM、串行口以及中斷系統(tǒng)和定時(shí)器等都不會(huì)因?yàn)?CPU工作的停止而中斷。但是在后一種方式里，如果片內(nèi)振蕩器不再運(yùn)轉(zhuǎn)，那么整個(gè)時(shí)鐘就被停止了運(yùn)作，其他功能也會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，它儲(chǔ)存了 RAM 的信息，當(dāng)硬件復(fù)位之后才會(huì)繼續(xù)工作。 單片機(jī)是溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要部分，所有的程序都在里面運(yùn)行。單片機(jī)的最小系統(tǒng)通常包括了時(shí)鐘電路以及復(fù)位電路，同時(shí)這些非常小的系統(tǒng)能夠保證單片機(jī)的 平常運(yùn)行，是其運(yùn)行所不可或缺構(gòu)成部分。以下是對(duì)最小系統(tǒng)的說明。 AT89S51 單片機(jī)是一款具備高性能，低電壓的 8 位單片機(jī)，由美國(guó)的 ATMEL 公司研發(fā)和生產(chǎn)。其內(nèi)部含有可以反復(fù)擦寫的 8K 的程序存儲(chǔ)器，同時(shí)還有 256 bytes 的（ RAM）隨機(jī)存儲(chǔ)器。本型號(hào)的單片機(jī)的具體的管腳圖如圖 32 所示： 圖 32 單片機(jī)引腳圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案 本文中最重要的是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊不可或缺，考慮以下方法。 一：選用大功率晶體管組合電路組成驅(qū)動(dòng)電路，這方式所用資金少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易 ，很容易就能達(dá)成，但因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路中使用了許多晶體管彼此連接，從而讓電路安全性降低、電路變得復(fù)雜很多、抵御干擾能力不強(qiáng)，但在現(xiàn)今的生產(chǎn)操作流程中最基本的方面就是安全性。因此此種方案不宜采用。 10 二：選用特定電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，如 L298 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，這是由于其本身已經(jīng)想到了電路的可靠性，抗干擾能力，安全，所以 本次設(shè)計(jì) 在使用時(shí)只要考慮到芯片的驅(qū)動(dòng)能力、硬件連接等問題就行了，所以此方案的電路抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性好。 本次設(shè)計(jì) 不需要在硬件電路設(shè)計(jì)花很多時(shí)間，就能將重心用在完成算法以及軟件設(shè)計(jì)構(gòu)思中，工作效果也能得到 保證，能在最短的時(shí)間中完成工作。 對(duì)兩種方法進(jìn)行分析以及考慮現(xiàn)實(shí)狀況，選用第二種方法。 顯示模塊設(shè)計(jì)方案 在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，該系統(tǒng)必須對(duì)工作方式、參數(shù)以及電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的顯示，因 此 在 整 個(gè) 系 統(tǒng) 中 就 需 要 設(shè) 計(jì) 一 個(gè) 顯 示 模 塊 ， 有 以下 三 種 考 慮 方 案 ： 方案一：使用七段數(shù)碼管（ LED）顯示。數(shù)碼管具有工作電壓低、亮度高、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、功耗小、易于集成、耐沖擊和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，并且它還可采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，容易編程，硬件電路調(diào)試簡(jiǎn)單。在本次論文設(shè)計(jì)中數(shù)碼管完全可以完成本次目標(biāo)。 方案二：使用 1602LCD 液晶顯示器，其硬件電路較簡(jiǎn)單、控制方法容易、所用功率不高、硬件電路不復(fù)雜、可顯示字符，但考慮到該液晶顯示器的屏幕小，不能顯示漢字，因此對(duì)于必須顯示大量參數(shù)的系統(tǒng)來講不宜采用。 方案三：使用 12864LCD 液晶顯示器，該顯示器功率低，驅(qū)動(dòng)方法以及硬件連接電路跟上面兩種方案較復(fù)雜，顯示屏幕大、可進(jìn)行顯示漢字和字符。但其成本比較高，因此本次不適用。 根據(jù)本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，顯示模塊選用方案一。 鍵盤模塊設(shè)計(jì)方案 在電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要對(duì)按鍵進(jìn)行參數(shù)的輸入、工作方式的設(shè)置以及電機(jī)起停的控 制，所以鍵盤在整個(gè)系統(tǒng)中是不可或缺的一部分，有二種考慮方案： 方案一：選取獨(dú)立式鍵盤，它的硬件連接與軟件完成簡(jiǎn)單，并且任意按鍵各不相關(guān)，任意一個(gè)按鍵都有一端接地，另一端連接到輸入線上。按鍵的工作情況不影響其他按鍵上的輸入狀態(tài)。但是因?yàn)楠?dú)立式鍵盤任意一個(gè)按鍵必須用到一根輸入口線，所以在按鍵數(shù)目較多時(shí)，浪費(fèi)大量 I/O 口，但本次設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中使用的鍵盤較少，因?yàn)楠?dú)立按鍵可以實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的要求。 方案二：選用行列式鍵盤，它的特征是行線、列線一一對(duì)應(yīng)連輸入線、輸出線。又因?yàn)榘寻存I設(shè)置安放在行、列 線的交叉點(diǎn)上，根據(jù)這種矩陣結(jié)構(gòu)只需 m 根行線以及 n 根列線就可構(gòu)成 nm? 個(gè)按鍵的鍵盤，所以矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)目較多的場(chǎng)合。但此種鍵盤的軟件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。本次設(shè)計(jì)不適用。 第三章 系統(tǒng)方案論證 11 按照兩個(gè)方案的理解，且對(duì)照論文的要求，最后決定選用第二種。 電源模塊設(shè)計(jì)方案 電源是任何系統(tǒng)可否運(yùn)轉(zhuǎn)的能量來源，無論什么樣的電力系統(tǒng)電源模塊都是不能缺少的，對(duì)于該模塊有以下兩種考慮方案。 方案一：通過電阻分壓方式依次把整流后的電壓降為控制芯片以及電機(jī)運(yùn)行所需電壓，此方案原理和硬件電路連接都較為 簡(jiǎn)單，但其對(duì)能量損耗較大，在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中一般不采用。 方案二：通過固定芯片對(duì)整流后的電壓進(jìn)行降壓、穩(wěn)壓處理，此方案