【文章內容簡介】 ， 假如刪去原動機，再讓兩個電刷接通直流電源，像圖 22（ a）展現一樣，就會有直流電流由電刷 A 流進去，途經線圈 abcd，最后在電刷 B 流出來，再依照電磁力定律，載流導體 ab 以及 cd 被電磁力所 干擾 ，可由左手定則 來 判斷其方向，兩段導體所受到的力構成了一個轉矩，從而讓轉子逆時針旋轉。當直流電機轉子旋轉到圖（ b） 所表達的地方時，電刷 B 與換向片 1 碰觸，電刷 A 與換向片 2 碰觸，從電刷 A 流進來直流電流，電流在線圈中的流動方向是 dcba，最后從電刷 B 流出 [13]。 此時可以由著名的左手定則來判斷導體 ab 以及 cd 遭受到電磁力影響方向，電磁力產生的力依舊使得轉子做逆時針轉動。上述可以說是直流電動機的基本工作原理。即使外面第二章 直流電機的工作原理 5 加進來的是直流電源，但因為換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矩的方向也是不會改變的。 實際應用中的直流電機轉子上的繞組不是由一個線圈組成，而是由多個線圈連接組成 ，用來減少電動機電磁轉矩的波動，以繞組形式同發(fā)電機。 圖 22 直流電機的基本運行原理圖 直流電機的調速原理 眾所周知，對直流電機轉速 n 的表達式是 ??? 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與電機結構有關的常數 從上述關系可得 ，可以調節(jié)直流電機轉速 n 的辦法有 ： (1)控制電樞端 平均 電壓可以控制其直流電機轉 動 速 度 ，這種方式屬恒轉矩調 速，因其靈敏度高，可以 應用于 要求范圍 廣 無級平滑調速系統(tǒng) ； (2)因改變電機主磁通只可減弱磁通，讓電動機的轉速從額定轉速向上變速，屬于恒功率調速方法，其動態(tài)響應較慢，雖能在無級平滑調速，但其調速范圍小 ； (3)調節(jié)電樞電路電阻 R 大小在電動機電樞外串聯電阻進行調速，只能在有級調速，還有其平滑性差、效率低、機械特性偏軟 [14]。 但是 改變 電樞電路電阻大小的 方式其 缺點 不少 ，所以現在 不常 使用這個方 式 來控制轉速；因為弱磁調速范圍小，需要與調壓調速配合使用，這反而多此一舉；于是，自動調速 6 系統(tǒng)主要以調壓調速為主，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成對直流電機速度的操縱。 改變電樞電壓 占空比 目前所普遍應用的也是主要的有旋轉變流機組、靜止變流裝置以及脈寬調制（ PWM）變換器三種辦法 [15]。 （ l） 可調直流電壓可由旋轉變流機組用直流電動機和交流發(fā)電機組成機組獲得，簡稱GM，這是最開始使用的調壓調速系統(tǒng)。 GM 具有良好的調速性能，但其所占空間大、系統(tǒng)運行麻煩、運行的時候有雜音、而且其運行效率低、維護起來也不方便。 （ 2） 20 世紀 40 年代，起先 是 用汞弧整流器 以及 閘流管構成的靜止變流設備 替代 旋轉變流機組，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 。選用晶閘管變流設備供電的直流調速系統(tǒng)簡稱為 VM 系統(tǒng)，通過調節(jié)電壓來改變晶閘管觸發(fā)控制角。來調節(jié)整流電壓數值，最后能調節(jié)直流電動機轉速的目的。 VM 在安全性、經濟性、調速性能都有很大優(yōu)勢，讓它成為了直流調速系統(tǒng)的主要方式。 （ 3)） 脈寬調制 (PWM)變換器也稱為直流斬波器，其的作用是使用功率開關器件關閉和斷開實現操控，控制通斷時間比例，將穩(wěn)定的直流電源電壓轉換成平均值可控制的直流電壓，也可叫做 DCDC 變換器。 大部分直流電動機是使用 開關驅動方法啟動。開關驅動方式是能使半導體功率器件工作在開關狀態(tài)時，通過用脈寬調制 PWM 來操控電動機電樞電壓，最終實現調速。 而 本文最核心是研究使用 MCS51 系列單片機，用 PWM 方法操控直流電機調速方式。現在因為科學技術的飛速發(fā)展消除了學科之間的界線，綜合當下控制技術， PWM 操控電機調速能力將越來越重要 [16]。 文章中采用單片機編程技術設計 PWM 信號的發(fā)生程序，接著用電機驅動電路。實現直流電機的調速控制。 從圖 23 可以知道，當電機接電源時，最大的轉動速度值為 maxV ，占空比用 TtD /1? 表示。電機的平均速度： DVVD ?? max ，從這個公式中可以知道，調節(jié)占空比就能獲得任意的電機速度。 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)設計方案 按照論文系統(tǒng)設計的任務和要求，設計了 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交互功能，把必須設置的參數以及狀態(tài)輸入到單片機 中是由鍵盤完成，最后用控制器投射到顯示器上。正常運行進程中控制器發(fā)生 PWM 脈沖輸送給電機驅動電路，然后 經過 放大后 控制 直流電機轉 動 速 度 ，最后 用 按鍵來 改變 PWM脈沖占空比， 最后實現 電機轉速實時 改變的要求 [17]。 圖 31 系統(tǒng)方案框圖 本系統(tǒng)控制對象是 55LCX 永磁式直流電機，主要技術指標如表 。針對要求分別對電源，電機驅動部分，鍵盤部分以及測速顯示部分進行設計。 表 55LCX 主要技術指標 55LCX1 峰值堵轉 連續(xù)堵轉 最 大空轉轉速 轉矩 N*m 電流 A 電壓 V 轉矩 N*m 電流 A 電壓 V 27 9 2021 控制器模塊設計方案 依照設計要求，控制器先作用于發(fā)出占空操控的 PWM 脈沖，然后要求直流電機進行調速，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，其中文名為現場可編輯門列陣， 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、調試，便于實現功能控制。 FPGA選用并列運行的輸入和輸出方式，系統(tǒng)操作速度縮短，能用于大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。將輸入模塊經過參數輸入給 FPGA， FPGA 用程序設計來操控 PWM 脈沖的占空比，然而現在對數據處理所需要時間要求低， FPGA 的飛速完成的優(yōu)點不能完美表現出來，還因為集成度較高，讓經濟負擔加重，又因為有大量芯片的引腳，導致實物硬件電路板布線加大難度，大大增加了電路設計以及焊接的時間。 方案二：系統(tǒng)控制器采用 AT89S51 的方案。其自由度大、算術運算功能比一般的強，能用多種語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，因為其芯片引腳不多，能在硬件很簡單完成。而且它還擁有技術全面、功率損耗不高、所用本錢不高以及體積小等好處，在許多領域中應用廣泛 [18]。 對比兩個方法，選用 AT89S51 比較容易，而且可以達到目標。因此本次設計選用方案二。 在選用 51 單片機時，還考慮了以下因素， Atmel 公司的 51 單片機要求配備專門的編程器，這樣就提高了系統(tǒng)成本，但是 Atmel 公司單片機不但能夠同時完成 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，產生的電壓波動對 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 單片機的加密性能比其他單片機要優(yōu)越很多，并且 Atmel 的單片機是增強型的 51 單片機。綜上所述，本次選用 AT89S51 單片機。 本次設計使用 51 系列單片機進行設計，這種型號的單片機的優(yōu)勢包括：功耗較低，低電壓環(huán)境工作，屬于性能較高的 CMOS 八位類型。這種單片機型的內部具有一個 8KB 的只讀程序的 FLASH 存儲器。它可以承受一千次的擦寫，而且可以反復。它的制造技術采取了 CMOS 工藝，同時采用了來自 ATMEI 公司所制造的密度、防易失性都較好的存儲器（ NURAM）。這種技術的輸出引腳與指令系統(tǒng)都是相互兼容的。綜上所述， AT89S51 型單片機的功能較強，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 存儲器； 2．全靜態(tài)工作： 024Hz； 3． 2568 字節(jié)內部 RAM； 4． 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口； 5． 8 個中斷優(yōu)先級； 6． 3 個 16 位計數器； 7．可編程的串行通道； 8．以及片內的時鐘振蕩器。 除此之外， AT89S51 型單片機在設計中采取了靜態(tài)邏輯，而且它的工作頻率能夠 低至0Hz，對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)和定時器等都不會因為 CPU工作的停止而中斷。但是在后一種方式里，如果片內振蕩器不再運轉，那么整個時鐘就被停止了運作，其他功能也會停止運轉。同時，它儲存了 RAM 的信息，當硬件復位之后才會繼續(xù)工作。 單片機是溫度調節(jié)系統(tǒng)的重要部分，所有的程序都在里面運行。單片機的最小系統(tǒng)通常包括了時鐘電路以及復位電路，同時這些非常小的系統(tǒng)能夠保證單片機的 平常運行，是其運行所不可或缺構成部分。以下是對最小系統(tǒng)的說明。 AT89S51 單片機是一款具備高性能，低電壓的 8 位單片機，由美國的 ATMEL 公司研發(fā)和生產。其內部含有可以反復擦寫的 8K 的程序存儲器，同時還有 256 bytes 的（ RAM）隨機存儲器。本型號的單片機的具體的管腳圖如圖 32 所示： 圖 32 單片機引腳圖 電機驅動模塊設計方案 本文中最重要的是控制電機的轉動速度，所以電機驅動模塊不可或缺，考慮以下方法。 一：選用大功率晶體管組合電路組成驅動電路，這方式所用資金少、結構簡易 ，很容易就能達成，但因為驅動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、電路變得復雜很多、抵御干擾能力不強，但在現今的生產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：選用特定電機驅動芯片，如 L298 電機驅動芯片，這是由于其本身已經想到了電路的可靠性，抗干擾能力，安全，所以 本次設計 在使用時只要考慮到芯片的驅動能力、硬件連接等問題就行了，所以此方案的電路抗干擾能力強、設計簡單、可靠性好。 本次設計 不需要在硬件電路設計花很多時間，就能將重心用在完成算法以及軟件設計構思中，工作效果也能得到 保證，能在最短的時間中完成工作。 對兩種方法進行分析以及考慮現實狀況，選用第二種方法。 顯示模塊設計方案 在電機轉速控制系統(tǒng)中，該系統(tǒng)必須對工作方式、參數以及電機當前運行狀態(tài)的顯示，因 此 在 整 個 系 統(tǒng) 中 就 需 要 設 計 一 個 顯 示 模 塊 ， 有 以下 三 種 考 慮 方 案 ： 方案一：使用七段數碼管（ LED）顯示。數碼管具有工作電壓低、亮度高、驅動簡單、功耗小、易于集成、耐沖擊和性能穩(wěn)定等特點，并且它還可采用 BCD 編碼顯示數字，容易編程，硬件電路調試簡單。在本次論文設計中數碼管完全可以完成本次目標。 方案二：使用 1602LCD 液晶顯示器，其硬件電路較簡單、控制方法容易、所用功率不高、硬件電路不復雜、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，因此對于必須顯示大量參數的系統(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，驅動方法以及硬件連接電路跟上面兩種方案較復雜，顯示屏幕大、可進行顯示漢字和字符。但其成本比較高，因此本次不適用。 根據本次設計的設計要求，顯示模塊選用方案一。 鍵盤模塊設計方案 在電機轉速的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要對按鍵進行參數的輸入、工作方式的設置以及電機起停的控 制，所以鍵盤在整個系統(tǒng)中是不可或缺的一部分，有二種考慮方案： 方案一：選取獨立式鍵盤，它的硬件連接與軟件完成簡單，并且任意按鍵各不相關，任意一個按鍵都有一端接地，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)。但是因為獨立式鍵盤任意一個按鍵必須用到一根輸入口線，所以在按鍵數目較多時，浪費大量 I/O 口，但本次設計的基于單片機的直流電機調速系統(tǒng)中使用的鍵盤較少，因為獨立按鍵可以實現本次設計的要求。 方案二：選用行列式鍵盤，它的特征是行線、列線一一對應連輸入線、輸出線。又因為把按鍵設置安放在行、列 線的交叉點上，根據這種矩陣結構只需 m 根行線以及 n 根列線就可構成 nm? 個按鍵的鍵盤，所以矩陣式鍵盤適用于按鍵數目較多的場合。但此種鍵盤的軟件結構比較復雜。本次設計不適用。 第三章 系統(tǒng)方案論證 11 按照兩個方案的理解，且對照論文的要求，最后決定選用第二種。 電源模塊設計方案 電源是任何系統(tǒng)可否運轉的能量來源，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運行所需電壓，此方案原理和硬件電路連接都較為 簡單，但其對能量損耗較大，在實際應用系統(tǒng)中一般不采用。 方案二：通過固定芯片對整流后的電壓進行降壓、穩(wěn)壓處理，此方案