基于單片機的直流電機控制系統設計

劉玉剛

摘 要 在工業生產中，隨著現代技術的不斷創新，電力電子技術已經得到廣泛的發展，其技術也已應用到各個行業中。在各類機電系統中，因為直流電機具有良好的啟動、制動和調速性能，所以直流電機調速系統已全面運用于航空、工業領域的各個方面。

關鍵詞 AT89S52單片機；數字PID；PWM脈沖

中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0041-01

電動機在當今社會的工業生產中，是主要的驅動設備，尤其是直流電動機，因為它的平滑調速性和結構上的簡單，所以成為了許多電器，比如吸塵器，空調等的驅動。但對于直流電機的控制，最流行的是采用可控硅裝置向電動機供電，即KZ—D拖動系統。起初的控制系統是發電機—電動機系統，非常的笨重。隨著電力電子技術的飛躍發展和單片機的成熟使用，使得直流電機調速系統從模擬化向數字化轉變。而PWM脈寬調制，是現在應用最成熟的方法。它來源于電力電子的橋式電路，通過單片機可進行簡單的模擬，而將它們結合起來，由電力電子元件組橋進行方向控制，而由單片機產生PWM波控制晶閘管的門極。調節占空比就能夠控制電機的平均電壓，從而控制電機的轉速。

1 系統方案的設計

1.1 方案設計思想及原理

如今電機在工業生產，裝備制造中的應用十分廣泛，而其速度控制對不同的生產過程至關重要。本設計就是基于單片機的直流電機轉速控制，控制算法采用數字PID調節技術。該系統以AT89S52單片機為核心，其輸出占空比可調的PWM波，進而實現對直流電機轉速的控制。霍爾傳感器將電機的速度轉換成脈沖頻率以后作為閉環控制系統的反饋信號，從而達到轉速的無靜差調節。系統通過數碼管來顯示電機的轉速，并通過鍵盤設置調節轉速和正反轉。

1.2 方案論證比較

1）控制器模塊的選擇。

結合本次設計任務要求，可以清晰的知道控制器模塊所要進行的工作為，產生一個PWM脈沖而這個脈沖的占空比還要受到數字PID算法的控制，并且還要對速度檢測模塊傳來的數據進行處理與采集，再通過數字PID算法運算得出當前所需的占空比脈沖信號。

2）電機驅動模塊的選擇。

對于電機驅動有以下兩種方案。

方案一：采用專門的電機驅動芯片，目前這類芯片已相當成熟。其抗干擾能力，安全性、可靠性都很高，應用時只需將其與其他元件正確連接即可。

方案二：采用大功率的晶體管組合電路構成驅動電路，這種方案雖然結構簡單，成本低，但是電路結構復雜，模擬電路本身抗干擾能力差、可靠性也低。

因此，從實際情況的角度考慮，本次設計的電機驅動模塊采用方案一。

3）速度采集模塊的選擇。

本次設計是一個閉環的控制系統，需要把速度采集模塊采集的電機轉數與設定值比較，進而調節電機轉速。對于速度采集模塊的設計方案有以下兩種：方案一：采用霍爾傳感器；方案二：采用對射式光電傳感器。

1.3 總體方案設計

根據任務要求，設計出的系統總體方框圖。其中控制器模塊為本次系統的核心，在電機啟動轉動的過程中單片機輸出的PWM脈沖信號輸送給電機驅動模塊，然后經過放大后控制直流電動機的轉速；反饋環節，利用速度檢測模塊獲取此時電機的轉速；運用數字PID算法改變PWM脈沖信號的占空比，從而就實現了電機轉速控制的目的。而鍵盤模塊與顯示模塊可以用來人和機器的互動功能，可以通過鍵盤模塊把想要設置的轉速及狀態輸送給控制模塊，還可以通過顯示模塊顯示到數碼管上面。

主要模塊功能如下：

1）單片機與霍爾模塊：此模塊主要通過霍爾傳感器對電機旋轉圈數進行檢測，在其輸出端形成一系列矩形波，送給單片機AT89S52計數器0進行計數，再由單片機AT89S52的P0口送到顯示模塊進行顯示。

2）鍵盤模塊：由于本系統需要控制電機轉速，所以需要對單片機進行輸入所設置的參數并輸出測得的速度顯示在數碼管上，因此設計了一個鍵盤電路來滿足系統的功能。接入七個按鍵到P10、P11、P12、P13、P14、P15這幾個端口，當按下其中一個按鍵時，對應的P1端口就會變為低電平，而在軟件設計編程的時候就可以利用這個低電平來設計它所需實現的功能。

3）數碼管顯示模塊：本次設計需要顯示設置的電機速度以及實時的電機速度，為此設計了數碼管顯示電路來進行系統的顯示。數碼管顯示電路采用的是動態顯示的方法，系統所測得的結果經過單片機P0端口的輸出，通過單片機P2端口的輸出位掃描信號來得到測量數據的動態掃描顯示。

2 軟件模塊的設計

2.1 軟件的設計思想

本系統軟件可由C語言編寫，編譯鏈接后下載到AT89S52中運行，軟件能夠實現本設計的功能要求，程序通過鍵盤信號采集、時序生成和對延時計數器賦值來產生符合要求的控制

信號。

2.2 主程序的設計

按照要求可設計出了系統主程序流程。

2.3 按鍵功能部分

將鍵盤劃分為執行、增速、減速、正轉，反轉等。當執行鍵按下，則電機開始工作，啟動時設置速度為默認速度，可以通過增速、減速兩個鍵來更改設定速度，最終由單片機通過PID算法來控制電機轉速接近設定值。同時，電機的正反轉也可以通過鍵盤來控制。

2.4 數碼管顯示部分

數碼管顯示流程圖，分別送命令和數據，最后顯示。

3 結論

1）通過按鍵輸入所需轉速值到單片機，然后單片機產生占空比可調的PWM脈沖來調節直流電機的轉速。

2）當實物制作結束后，發現不能實現預期功能，原因出現在制作過程中電機驅動模塊沒有進行預先調試。

3）系統運行穩定，可以方便地用于直流電機的調控，為后續產品研發做好基礎。

4）如若進一步研究本課題，可以研究其他的電機以及速度采集模快。

參考文獻

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