單片機在直流調速中的應用技術研究

摘 要：本文基于應用單片機控制電機調速技術，首先概述了直流電機調速方式，進而分析了應用單片機控制電機調速的技術優勢，并介紹了應用最為廣泛的PWM技術原理，進而通過設計實例（以89C51為例），介紹了應用單片機控制電機調速系統的設計流程。

關鍵詞：單片機 直流電機 調速 PWM技術

中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）11（b）-0061-01

直流電動機由于轉速調節靈活、技術成熟、調速平滑以及控制性能好的特點，廣泛應用于數控機床，工業機器人等工廠自動化設備中。隨著自動化控制系統的快速發展及應用，利用先進的單片機技術制造出技術成熟可靠的直流電機控制系統，對于促進直流電動機的應用具有非常重要的實際意義。由于單片機具有體積小、集成度高、運算速度快、運行可靠、應用靈活、價格低廉以及面向控制等特點，因此在工業控制、數據采集、智能儀器儀表、智能化設備和各種家用電器等領域得到廣泛的應用。隨著單片機應用技術水平不斷提高，目前單片機的應用領域已經遍及幾乎所有的領域。現在國內外工業上對電機的調速基本已經不再使用模擬調速，而采用數字調速系統，而數字調速系統大部分都是用單片機來進行控制，數字調速系統具有控制精確度高，非常穩定，受環境影響小，效率高等優點，所以在國內外的使用越來越廣泛。與交流電動機相比，直流電機結構復雜、成本高、運行維護困難，但是直流電機具有良好的調速性能、較大的啟動轉矩和過載能力強等許多優點，因此在許多行業仍大量應用。

1 直流電機的特性及調速方式

直流電機的調速主要有以下幾種。

（1）PWM直流調整系統。其原理是將直流控制信號與三角波經調制電路產生一系列脈寬不等的脈沖信號，做功率放大后驅動大功率器件。控制調制方波的占空比，便可以改變輸出平均電壓。將PWM輸出電壓接至直流電動機的電樞兩端，便可組成性能優良的調速系統。該調速系統的優點是調速范圍廣、效率高、響應速度快、電流脈動小及對電網污染小。

（2）電樞串電阻調速。電樞回路串接電阻后，電動機的機械特性的斜率隨電阻的改變而改變，在恒負載下使轉速發生變化。該調速方式的優點是控制裝置很簡單；但是轉速受負載的影響較大，在空載時幾乎沒有調速作用，而在重載低速運行時特性顯得太軟，而且功耗很大。

（3）改變電樞電壓調速。當電動機采用這種方式，其機械特性隨電樞電壓的改變而產生平移，所以它的調速范圍較廣。電樞電壓的調節常用晶閘管整流裝置實現，但低速運行時功率因數變低，而且在交流側出現較多的諧波成分，對電網不利。

（4）雙閉環直流調速系統。該系統的反饋量電流和轉速信號，分別送入電流調節器和速度調節器。調節器按P-I（比例—積分）方式實現調節。由電流調節器組成的閉環稱為電流環。由速度調節器組成的閉環稱為轉速環，電流環用于控制電流，轉速環用于控制轉速。

2 PWM技術原理分析

近年來，直流電動機的機構和控制方式都發生了很大的變化。隨著計算機進入控制領域以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現，采用全控型的開關功率元件進行脈寬調制（Pulse Width Modulation，簡稱PWM）已成為直流電機新的調速方式。相對于其他用硬件或者硬軟結合的方法實現對電機進行調整，采用PWM的方法來實現調速過程，具有更大的靈活性和更低的成本，能夠充分發揮單片機的效能，對于簡易速度控制系統的實現提供了一種有效的途徑。

脈寬調制（PWM）調速是利用數字輸出對模擬電路進行控制的技術，利用PWM技術容易與數字控制器相聯接。此外利用單片機來做PWM發生器的優點主要是由于系統設計成本大大降低。同時將PWM發生器模塊設計在中心控制芯片內，不僅簡化了系統的接口，而且使控制器更容易控制PWM波。

3 單片機控制電機調速設計實例簡介

3.1 設計思路

對于單片機控制電機調速系統，主要以單片機（89C51）為核心，通過單片機控制，C語言軟件編程控制產生PWM信號，控制固定電壓的直流電源開關頻率，從而改變負載兩端的電壓，進控制電機驅動電路使之工作在占空比可調的開關狀態，實現對直流電機的平滑調速，主要由可調直流電機驅動部分及程序、電機轉速轉換脈動電路部分以及LCD顯示屏驅動程序組成。

3.2 轉速測量電路設計

（1）單片機控制單元。單片機控制單元的選用應當遵循低功耗、高性能的原則，現階段通常選用8位CMOS微控制器，其具有高密度、非易失存儲以及與80C51引腳和指令系統完全兼容的優點。（2）顯示器。顯示其主要采用LCD液晶顯示器，作為一種功耗極低的顯示器件，具有省電以及信息量大的特點而且易于彩色化，沒有電磁輻射，壽命長。（3）測速傳感器。轉速的采集主要使用傳感器是紅外對管，其優點主要有以下幾方面：紅外對管的價格低廉；紅外對管的靈敏度雖然不是很高但完全能夠滿足低壓直流電機的速度采集；紅外對管的驅動和信號轉換電路比較簡單。紅外線接收管是將紅外線光信號變成電信號的半導體器件，其核心部件是一個特殊材料的PN結，攜帶能量的紅外線光子進入PN結后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產生光生載流子。在光電導特性作用下，紅外線接收二極管在一般照度的光線照射下，所產生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應變化。

3.3 軟件系統設計

一般情況下，軟件主要由主程序、中斷子程序以及PID算法子程序以及顯示子程序組成。主程序是一個循環程序，中斷子程序包括外部中斷以及定時中斷。

4 結語

隨著數字系統的飛速發展，以微控制器為核心的數字調速系統是目前調速系統的發展趨勢，通過利用數字形式的微處理器以及芯片，避免了數模轉換過程中的信號噪聲影響，同時提高了調速性能，隨著新型的電力電子功率元器件的逐步發展，采用全控型的開關功率元件進行脈寬調制已成為直流電機新的調速方式，通過借助開關頻率高、低速運行穩定、動態性能良好、效率高的優點，單片機控制電機調速技術必然會進一步發展完善。

參考文獻

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