基于單片機(jī)的單相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

林錦錢 鄒 恩 張志武 黃裕懷 黃浩揚(yáng)

（1.廣東電網(wǎng)公司 汕尾供電局，廣東 汕尾 516600；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642; 3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 珠江學(xué)院，廣東 廣州 510900）

基于單片機(jī)的單相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

林錦錢1鄒 恩2,3*張志武2黃裕懷2黃浩揚(yáng)2

（1.廣東電網(wǎng)公司 汕尾供電局，廣東 汕尾 516600；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642; 3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 珠江學(xué)院，廣東 廣州 510900）

以單相電機(jī)速度為控制對象，采用STC89C51單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了一套單相電機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用鋸齒波產(chǎn)生脈沖作為雙向晶閘管的觸發(fā)信號，通過控制雙向晶閘管的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)電機(jī)的端電壓，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。

單片機(jī)；單相電機(jī)；霍爾傳感器；調(diào)速器

單相電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、功率小、造價(jià)低,被廣泛應(yīng)用于家用電器和小功率工業(yè)裝置中。目前單相電機(jī)的無級調(diào)速器多采用電子調(diào)速[1-2]，文獻(xiàn)[3]采用調(diào)壓調(diào)速，可以實(shí)時(shí)控制速度，但單片機(jī)外圍接口電路多且復(fù)雜；文獻(xiàn)[4、5]通過改變供電電壓的頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速，雖能實(shí)現(xiàn)大范圍無級調(diào)速，但也存在一些明顯的缺點(diǎn)，如變頻電路采用兩相繞組分別控制的方案，會增加副繞組的電壓值、直流電壓利用率較低、控制算法也比較復(fù)雜等。

為了提高調(diào)速設(shè)備的穩(wěn)定性、可讀性和操作方便性，本文采用STC89C51單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了一套單相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)通過鍵盤設(shè)定速度，此設(shè)定值與電機(jī)反饋速度比較并經(jīng)模擬PI作用，與形成的鋸齒波經(jīng)過比較器產(chǎn)生脈沖信號，作為雙向晶閘管的觸發(fā)信號，通過控制雙向晶閘管的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)電機(jī)的端電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)無極調(diào)速。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)主要由鍵盤模塊、液晶顯示模塊、速度反饋模塊、存儲模塊、PWM給定模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1. 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)上電后，通過鍵盤設(shè)定速度，即改變PWM占空比，經(jīng)濾波后得到設(shè)定的直流電壓，單相電機(jī)自帶的交流反饋電壓經(jīng)整流濾波得到反饋直流電壓，其與給定直流電壓比較并經(jīng)PI作用，與形成的鋸齒波經(jīng)過比較器產(chǎn)生脈沖信號，作為雙向晶閘管的觸發(fā)信號，通過控制雙向晶閘管的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)電機(jī)兩端的電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。液晶顯示器可同時(shí)顯示設(shè)定速度和反饋速度。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包括:單片機(jī)控制模塊、速度反饋模塊、存儲模塊、PWM直流給定模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊等五大部分。

2.1 單片機(jī)控制模塊

系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)作為控制核心，STC89C51本身含有4K的EEPROM存儲器,用編程器可以更改存儲器中的控制程序，從而為系統(tǒng)的開發(fā)提供了可行性。

單片機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)主要包括STC89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)、鍵盤及液晶顯示電路的設(shè)計(jì)。其中P3.2作為速度反饋的輸入端；P3.7作為PWM的輸出端；P1口作為鍵盤引出端，采用4×4矩陣鍵盤。P0口和P2口的部分引腳作為液晶的數(shù)據(jù)口和控制口，液晶顯示采用LCD1602；P2口的低3位作為AT24C02控制信號輸出端。由于LCD1602顯示電路和鍵盤電路技術(shù)成熟,在此不再詳述。

2.2 速度反饋模塊

速度檢測采用霍爾傳感器。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將一塊永久磁鋼固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤邊沿，轉(zhuǎn)盤隨測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤下方安裝一個(gè)霍爾器件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場的影響，霍爾器件輸出脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。系統(tǒng)采用單片機(jī)的外部中斷0對霍爾器件輸出脈沖信號計(jì)數(shù)，并用定時(shí)器0產(chǎn)生輸出方波的信號周期。

2.3 存儲模塊

存儲模塊采用 AT24C02，用來存儲電機(jī)設(shè)定的速度。當(dāng)系統(tǒng)重新上電時(shí)，單片機(jī)通過AT24C02讀取掉電前設(shè)定的速度。AT24C02是一個(gè)2K位串行CMOS的E2PROM，內(nèi)部含有256個(gè)8位字節(jié)，有一個(gè)16字節(jié)頁寫緩沖器。該器件通過I2C總線接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能。通過SDA，單片機(jī)對芯片寫入或讀出數(shù)據(jù)，WP為寫保護(hù)。若WP接VCC，則所有的內(nèi)容都被寫保護(hù)。

2.4 PWM直流給定模塊

PWM直流給定模塊電路圖如圖2所示。單片機(jī)輸出的PWM信號經(jīng)過光耦隔離，減小驅(qū)動電流對單片機(jī)的影響。其中R6、R7、C5、C6組成二階低通濾波電路，對經(jīng)過光電隔離的PWM信號進(jìn)行濾波。為了得到穩(wěn)定的直流電壓，濾波后的電壓需通過電壓跟隨器。

圖2. PWM直流給定模塊電路圖

2.5 電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動模塊電路框圖如圖3所示。給定的直流電壓與反饋電壓之差經(jīng)過比例積分作用，與220V交流電同步鋸齒波進(jìn)行比較，再作為雙向晶閘管的觸發(fā)信號。由于雙向晶閘管開通頻繁，須在其兩端并聯(lián)RC電路進(jìn)行保護(hù)。

圖3.電機(jī)驅(qū)動模塊電路框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

模塊化程序設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)的一種有效方法。采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，先設(shè)計(jì)出子程序并進(jìn)行調(diào)試，然后進(jìn)行模塊集成，形成主程序[6]。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、功能選擇子程序和PWM子程序等。

3.1 主程序

主程序流程圖如圖4所示，主程序主要完成速度設(shè)定、顯示。系統(tǒng)進(jìn)入主程序后，先進(jìn)行相關(guān)參數(shù)和液晶顯示的初始化，讀取AT24C02的數(shù)值并經(jīng)液晶顯示器顯示掉電前設(shè)定的速度，然后循環(huán)調(diào)用功能選擇子程序和顯示速度。

圖4. 主程序流程圖

3.2 功能選擇子程序

功能選擇子程序流程圖如圖5所示，首先調(diào)用鍵盤處理函數(shù)，如返回的鍵值key為11，進(jìn)入設(shè)定速度，然后重新調(diào)用鍵盤處理函數(shù)，若鍵值為0到9之間，則把鍵值賦給速度變量；若鍵值為14，速度變量值清0；若鍵值為15，速度設(shè)定確認(rèn)功能，把設(shè)定的速度轉(zhuǎn)成PWM的占空比，并保存在AT24C02中。

3.3 PWM子程序

PWM程序用于產(chǎn)生占空比可調(diào)的方波，系統(tǒng)利用定時(shí)器產(chǎn)生方波。進(jìn)入定時(shí)器1中斷函數(shù)后，定時(shí)器1初始化，計(jì)數(shù)變量與已初始化的變量t進(jìn)行比較確定方波的周期，當(dāng)計(jì)數(shù)變量大于t時(shí)，計(jì)數(shù)變量清零。計(jì)數(shù)變量與鍵盤設(shè)定的變量t1進(jìn)行比較，小于t1時(shí)輸出高電平，大于t1則輸出低電平，通過調(diào)節(jié)t1值的大小來改變占空比[7]。

圖5.功能選擇子程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后，為了驗(yàn)證該調(diào)速器的設(shè)計(jì)效果，對某生產(chǎn)線的速度控制進(jìn)行了實(shí)測，生產(chǎn)線由YYCJT90-90單相電機(jī)帶動。系統(tǒng)上電后，通過鍵盤設(shè)置電機(jī)速度，顯示器同時(shí)顯示設(shè)定和反饋速度，3min后記錄顯示器上反饋的速度，總共設(shè)定4組速度，每組數(shù)據(jù)重復(fù)測量4次。記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

表1. 單相電機(jī)調(diào)速實(shí)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文以STC89C52 單片機(jī)為控制核心，采用模擬PI技術(shù)和霍爾傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)一種參數(shù)可調(diào)的單相電機(jī)調(diào)速器。系統(tǒng)采用鋸齒波產(chǎn)生脈沖作為雙向晶閘管的觸發(fā)信號，通過控制雙向晶閘管的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)電機(jī)的端電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試表明，該調(diào)速器運(yùn)行效果良好，現(xiàn)已投入到裝配生產(chǎn)線的實(shí)際系統(tǒng)上運(yùn)行，使用半年多，系統(tǒng)穩(wěn)定無故障。

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Single-phase motors for Speed Adjustion System Based on Singlechip

LIN Jin-qian1，ZOU En2,3*，ZHANG Zhi-wu2，HUANG Yuh-ui2，HUANG Hao-yang2

(1.Guangdong Power Grid Corporation Shanwei Power Supply Bureau, Shanwei, 516600,China; 2. College of Engineering, South China Agricultural University ,Guangzhou ,510642, China 3. College of ZhuJiang，South China Agricultural University，Guangzhou 510900，China)

This paper utilized the speed regulator of Single-phase motors as a controlled object and STC89C51 single chip as control core to design a set of control system of single-phase motor governor. This system used pulse produced by the sawtooth wave as the trigger signal of bidirectional thyristor and achieved speed adjusting of the electrical machine by controlling the terminal

voltage of conduction angle adjusting electrical machine of the bidirectional thyristor.

Singlechip; Single-phase motors; Hall sensor; Speed regulator

中國分類號：TP273

A

1673-2219（2014）05-0054-03

2013－09－16

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31171457)；廣東省科技廳產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目（2010B090400451，2012B0911 00020)；大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（SCX12181，1056412115）資助。

林錦錢（1985－），男，廣東汕尾人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樽詣踊刂啤?/p>

鄒恩（1956－），女，湖南株洲人，博士，教授，主要研究方向?yàn)榉蔷€性系統(tǒng)的智能控制。

(責(zé)任編校：劉志壯)