淺析單片機對直流電機的控制

丁健鴻

【摘要】本文旨在介紹單片機控制直流電機的整體思想和核心框架，從直流電機的工作原理入手，詳細闡述了其旋轉的核心原理，然后通過對PWM技術的介紹，以及對單片機產生PWM脈沖信號，從而實現單片機對直流電機的智能控制。

【關鍵詞】單片機；占空比；PWM

1.概述

隨著科學技術的快速發展以及社會經濟水平的不斷提升，人們對物質生活水平的要求越來越高，他們迫切希望能夠通過高的科學技術水平來提升人們的物質生活條件和水平，日常生產生活中的各種事宜都能按照人們的意愿，自動地完成。這就要求在生活中使用各種電動機來驅動機械設備完成人們的預期的功能。直流電機是目前電動機中穩定性較高、應用范圍較廣的設備，已經被廣泛地應用在社會的交通、航空、工業、政府等各個領域中的方方面面。然而，人們對電動機的要求，不僅僅是能夠帶動機械設備完成相應的工作，而且是要在不同的環境條件下，按照不同的速度進行運轉，從而提供更加高質量的服務。直流電機的調度性能非常良好，而且有專門的外部接口能夠對直流電機進行速度控制，從而實現不同條件下的速度要求。單片機是人工智能化的核心控制設備和數據存儲設備，能夠將人們的想法，通過計算機二進制數據的形式存儲在單片機中，并且通過專門的電路和接口生成固定的控制信號，從而實現對各種設備的控制。如何實現通過單片機來控制直流電機，是非常值得研究的問題，通過單片機生成調速信號，驅動直流電機工作，從而實現自動化控制，這對于實現自動化功能、提升生活質量來說，具有非常重要的現實意義。

2.直流電機的工作原理

電動機是將電能轉化成動能的專業設備，而直流電動機則是以直流電為驅動電源的一種旋轉設備，通過內部的磁極、電刷、鐵芯、繞線組等構成的定子和轉子，將直流電轉換成相應的磁場，通過磁場作用產生動力。直流電機的定子是固定的，上面有兩個固定的永久磁鐵，電刷則是與電源直接連通，當有直流電通過時，電刷連接轉子繞線組形成回路，電流通過產生磁場，該磁場與定子永久磁鐵的磁場相互作用，驅動轉子旋轉。特別的，在直流電機中有一個換向器設備，在轉子在一個旋轉周期內旋轉時，由于電刷位置固定，即電流流向的方向，經電刷處是固定的，而轉子的線圈旋轉過半時，繞線組的方向就會發生變化，如果電刷中的電流方向不變化，那么轉子此時產生的磁場與定子磁場的作用力，與上半圈電流流經轉子產生的磁場與定子磁場的作用力正好相反，那么此時轉子就會向反方向提供作用力，電機將不會旋轉，所以換向器的作用就保證了流經繞線組的電流產生的磁場與定子磁場之間的作用力始終是一致的，從而源源不斷的磁場作用力就能使轉子旋轉。最終形成的效果就是，如果提供的電源電流方向不變，轉子方向就不會發生變化，即電機旋轉方向不變，改變電流方向，轉子旋轉方向發生變化，電機旋轉方向發生變化。

3.單片機控制直流電機

單片機控制直流電機，主要是采用PWM技術，對直流電機進行控制。由于直流電機自身的特性，在不同電流流向的直流通過時以及在不同時間的磁場力作用下，轉速和轉向都是不同的。PWM技術就是按照直流電機自身固有的特性，通過對控制信號的改變和調整，來實現對直流電機的控制。

3.1 PWM技術

PWM技術的核心技術就是生成方波，然后調整其不同的占空比和方向來實現對直流電機控制電流的調整和改變。如圖1.所示，為PWM的脈沖信號示意圖。

由圖1可知，PWM脈沖信號是周期為T的信號，在一個完整周期內，高電壓為t1，低電壓為t2，PWM脈沖信號就是重復周期T的信號對直流電機進行控制。當直流電機通過高電壓t1時，直流電機轉子和定子產生相互作用的磁場力，直流電機工作，當直流電機通過低電壓t2時，直流電機轉子不產生磁場力，直流電機不工作。那么在一個完成的周期內，如果能夠按照人們的意愿靈活地改變t1和t2的比例，即可實現對直流電機作用力時間的改變，從而改變直流電機的運轉速度。同樣的，如果改變PWM脈沖信號的直流控制信號方向，那么直流電機的旋轉方向就會發生改變，從而實現對直流電機旋轉方向的控制。

PWM技術應用在單片機控制電動機方面應用十分廣泛，由于PWM脈沖信號為方波，屬于數字信號，單片機很容易通過專門的輸入輸出端口或者通過有序地控制二極管通連情況，來生成PWM脈沖信號。

3.2單片機控制直流電機框架

單片機控制直流電機的電路框架分為三部分，分別是人機交互接口的鍵盤控制電路，單片機核心控制電路，直流電機驅動和工作電路。其中，鍵盤控制電路提供了外部接口能夠方便使用者對單片機輸入控制信號，如開機、加速、減速、換向、關機等。單片機核心控制電路主要是讀取鍵盤區域的外部控制信號、處理內部邏輯運算、生成PWM脈沖信號等。直流電機控制電路主要是接受單片機輸出的PWM脈沖信號，并對其進行電壓放大和功率放大的處理，使其能夠滿足直流電機的正常運轉的功率需求。如圖2.所示，為單片機控制直流電機的電路框架結構圖。

3.3單片機控制流程

當外部用戶按下開機鍵時，單片機開始工作，數據初始化，電動機控制芯片或者電路使能，數據初始化工作不僅包括單片機正常的數據初始化，還包括對內部定時器/計時器的設置、輸入輸出端口的設置等等。當用戶按下加速按鈕，單片機產生默認方向的PWM脈沖信號，占空比為相對較小的單位，此PWM脈沖信號輸出到直流電機控制電路，通過轉換進行放大處理，驅動直流電機工作。當用戶繼續按下加速按鈕時，單片機讀取此信號，繼續改變PWM脈沖信號占空比，脈沖信號的高電壓比例增加，直流電機產生的磁場作用力時間變長，速度提升。當用戶按下減速按鈕時，單片機接收到此信號，減小PWM脈沖信號一個周期內的占空比，直流電機受到的作用力時間減少，速度降低。當用戶按下反向按鈕時，相反地，只需要改變PWM脈沖信號的方向即可實現直流電機的轉向。

改變PWM脈沖信號占空比的方法有很多，如果使用二極管產生脈沖信號，可以采用定時器/計數器方式，對高電壓與低電壓的固定時間進行定時即可。特別的，為了能夠減少直流電機的損耗，在對直流電機的旋轉方向進行控制時，一定要在相對低速的情況下改變方向，這樣對直流電機來能夠起到保護作用。

4.總結

單片機控制直流電機，主要是利用直流電機自身特性，通過生成PWM脈沖信號，改變其占空比與脈沖信號的方向，來對直流電機進行控制，整個電路的框架從控制接口、到核心處理部分、到驅動部分結束生成適合直流電機運轉工作的合適的PWM信號，從而實現對直流電機的智能控制。

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