基于單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/電流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈文哲

摘要：隨著現(xiàn)代社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械自動(dòng)化的要求也越來(lái)越高，對(duì)于單片機(jī)而言，對(duì)其位置和時(shí)間的精確度也提出了更高的要求，因此，如何提高電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度是現(xiàn)代社會(huì)電機(jī)的一個(gè)重要課題。本次研究以89C52單片機(jī)為核心，用C語(yǔ)言進(jìn)行編程控制，采用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生可調(diào)的矩形波，依據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型以及脈寬調(diào)制（PWM）控制原理和H橋電路基本原理設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路，采用了PWM技術(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)占空比的計(jì)算達(dá)到精確調(diào)速的目的。

Abstract： With the continuous development of modern society， there are increasing requirements for mechanical automation. For singlechip， there are higher requirements for the accuracy of the location and time. Therefore， how to improve the speed of the motor is an important subject of motor in modern society. This study takes 89C52 singlechip as the core， uses C language for programming control， produces adjustable square wave by the MCU internal timer， and designs the drive circuit based on the working principle and mathematic model of continuous current motor and Pulse width modulation （PWM） control principle and the basic principle of H bridge circuit. It adopts PWM technology to control the motor and achieves the goal of precise speed control through duty cycle calculation.

關(guān)鍵詞：PWM調(diào)速；H橋電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；電動(dòng)機(jī)測(cè)速；89C52單片機(jī)

Key words： PWM speed regulation；H bridge motor drive；motor speed；89C52 singlechip

中圖分類(lèi)號(hào)：TM32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）08-0247-03

0 引言

在運(yùn)動(dòng)控制發(fā)展的歷程中，交、直流兩大電機(jī)構(gòu)并存于各個(gè)工業(yè)控制領(lǐng)域，隨著各個(gè)時(shí)期科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它們所處的地位、所起的作用不同，但它們始終隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展而不斷的提高性能，特別是在電力電子和微電子技術(shù)日益發(fā)展的今天，PWM調(diào)試方式的產(chǎn)生促使這兩大電機(jī)的調(diào)速方式上逐漸進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)總體框圖（圖1）

系統(tǒng)主要采用89C52單片機(jī)為主控芯片，單片機(jī)讀取按鍵值，然后控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，啟動(dòng)，停止，調(diào)速，以及速度的測(cè)量。

1.2 電源電路設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，供電電源為系統(tǒng)的正常工作提供能源，本系統(tǒng)主要是采用5V電源給單片機(jī)供電，12V電源給電動(dòng)機(jī)供電，直流電主要是市電通過(guò)整流，濾波，穩(wěn)壓得到5V直流電源以及12V電源。

供電電路采用的是直流線性穩(wěn)壓器組成。其中，交流電經(jīng)過(guò)變壓器變壓得到電壓UAC，根據(jù)單相橋式整流電路的特性，我們可以計(jì)算出整流以后的電壓UO，UO是整流電路的輸出端電壓瞬時(shí)值在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，根據(jù)上圖中的波形可得：

1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)的單片機(jī)采用的是89C52單片機(jī)，主要采用STC 89C52RC單片機(jī)，STC 89C52RC 是一種CMOS 8位微控制器，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，具備8KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。

除了上述功能外，單片機(jī)還具有一些其它的特殊功能，由特殊寄存器來(lái)負(fù)責(zé)設(shè)置。

1.4 直流電機(jī)PWM調(diào)速控制原理

直流電機(jī)改變電壓調(diào)速就是改變電樞繞組端電壓的調(diào)速。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，通常電樞電流的時(shí)間常數(shù)很小，這就要求電流內(nèi)環(huán)需有足夠高的采樣頻率，在實(shí)際的操作中采用較高的采樣頻率是可行的。所以電流調(diào)節(jié)器通常能夠采用間接方法設(shè)計(jì)，首先依照連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，然后再將得到的結(jié)果數(shù)字化。對(duì)于轉(zhuǎn)速的采樣頻率，由于該數(shù)值過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)影響到系統(tǒng)的安全性，所以必須對(duì)轉(zhuǎn)速低采樣頻率進(jìn)行合理選值，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用H橋式驅(qū)動(dòng)，圖中用三極管組成H型平衡橋，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。同時(shí)H型PWM電路工作在晶體管的飽和狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)，具有非常高的效率。圖中兩個(gè)光電耦合器起隔離作用，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為12V，單片機(jī)的工作電壓為5V，若三極管的基極直接與單片機(jī)相連，會(huì)燒壞單片機(jī)，所以必加一個(gè)光電耦合器，隔離兩邊的電壓，由于光電耦合器的傳輸速度最高可以達(dá)到70kHz，所以光電耦合器可以滿(mǎn)足隔離的要求，同時(shí)也可滿(mǎn)足脈沖信號(hào)傳遞速度較快的要求。

1.5 H橋電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖2中所示這是一個(gè)非常常用的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路。因?yàn)樗男螤詈妥帜窰非常相似，因此叫作“H橋驅(qū)動(dòng)電路”。4個(gè)三極管組成這個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。如圖所示，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路H橋式通常包括4個(gè)三極管和一個(gè)電動(dòng)機(jī)。導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管，則電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。判斷不同三極管對(duì)的導(dǎo)通與否，然后判斷電流的流向，根據(jù)電流的流向控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件總流程圖

軟件總流程圖如圖3所示。

2.2 PWM調(diào)速程序設(shè)計(jì)

2.2.1 PWM調(diào)速程序設(shè)計(jì)

鍵盤(pán)向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過(guò)P2.0與P2.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出高電平，驅(qū)動(dòng)H型橋式電動(dòng)機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動(dòng)機(jī)所處速度級(jí)以速度檔級(jí)數(shù)表示。速度分10檔，快慢與電動(dòng)機(jī)所處速度級(jí)快慢一一對(duì)應(yīng)。

在程序中通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器1和定時(shí)器0產(chǎn)生PWM，送出預(yù)設(shè)占空比的PWM波形。PWM（脈沖寬度調(diào)制）是一系列周期固定、占空比可調(diào)的脈沖系列，由于周期數(shù)必須是每個(gè)脈沖的低電平時(shí)間和高電平時(shí)間之和，因此必須由定時(shí)器來(lái)控制輸出電平的維持時(shí)間。輸出電壓的平均值為：UAV=VCC*TH/（TH+TL）=VCC*TH/T=D*VCC

其中：VCC代表電壓；TL代表低電平時(shí)間；TH代表高電平時(shí)間；T代表PWM周期。

當(dāng)VCC固定時(shí)，其電壓值取決于PWM波形的占空比D，而PWM的占空比由單片機(jī)軟件內(nèi)部用于控制PWM輸出的寄存器值決定。

2.2.2 基于PID算法的PWM電機(jī)調(diào)速程序設(shè)計(jì)改進(jìn)

PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。為了分析簡(jiǎn)便，從常規(guī)PID算法入手，PI控制的增量式差分方程為式（1），PI調(diào)節(jié)器的輸出可由式（2）求得，其中KP為比例系數(shù)：KI為積分系數(shù)；Tsam為采樣周期。

PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)直接影響著系統(tǒng)的性能指標(biāo)。分析系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程，在轉(zhuǎn)速上升時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，此時(shí)不必進(jìn)行積分計(jì)算，編程只須考慮比例放大作用，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升接近穩(wěn)態(tài)值時(shí)，才進(jìn)行PI控制，消除穩(wěn)態(tài)誤差，此時(shí)的P慮比前階段小。

常規(guī)PID控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、易于編程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在高性能的調(diào)速系統(tǒng)中，僅僅靠調(diào)整P1參數(shù)難以同時(shí)滿(mǎn)足各項(xiàng)靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)具有根強(qiáng)的邏輯判斷和數(shù)值運(yùn)算能力，我們應(yīng)充分應(yīng)用這些能力，再加上對(duì)直流電機(jī)和控制規(guī)律的知識(shí)，以智能的方式衍生山多種改進(jìn)算法，提高系統(tǒng)的控制性能。

3 系統(tǒng)仿真分析

系統(tǒng)仿真采用Protues仿真軟件，Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)的仿真如圖4所示。

系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本次PWM電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究重對(duì)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究與分析，提出并討論了基于PID算法的電機(jī)控制思路，運(yùn)用此算法可以使直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng)精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，穩(wěn)定。

89C52單片機(jī)是一種適合于常用的51內(nèi)核微處理器。本次研究充分利用了89C52內(nèi)含多個(gè)定時(shí)器的功能，結(jié)合直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、保護(hù)功能較齊全的PWM電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

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