實驗室電機調速控制裝置的設計

倪　波，陸苗霞

應天職業技術學院

實驗室電機調速控制裝置的設計

倪波，陸苗霞

應天職業技術學院

目前用的電機調速器基本采用的是變頻調速，利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。而我們研究的是實驗室用，希望能綜合各門學科，又適合我們的能力水平的。本文設計的是直流電動機的調速，正反轉及過速報警等功能。

電機；調速；控制

注：江蘇省大學生實踐創新項目，項目編號：201512680004Y。

1　緒論

電機技術這門課程學習的過程中，由于實驗設備的缺乏，對電機的轉速及正反轉的學習只基于理論的學習，沒有實際的電機進行這方面的調試，因此在學習的過程中覺得離真正理解還有一定的距離。因此就選擇了實驗室電機控制裝置的設計與制作作為大學生實踐創新項目。本項目主要是利用單片機技術建立一個電機的控制模型，讓電機達到如下效果：

（1）數碼顯示電機轉速；

（2）按鍵控制電機的加速和減速；

（3）電機的正反轉控制；

（4）電機轉速如果過快進行報警設置等功能。

2　設計方案

本設計主要是包含硬件和軟件兩部分。硬件方面是以89C51為主要核心，配合顯示模塊、鍵盤模塊、控制模塊、紅外對管測速計數和蜂鳴器等模塊。［1］軟件上通過用C語言編程產生PWM脈沖信號的輸出。當用鍵盤輸入速度既定值，裝置自動按既定值進行跟蹤，然后利用數碼顯示器顯示出來，最后再由單片機輸出PWM脈沖信號。測速電路可以把電機的轉速傳輸給CPU，然后CPU把電機的轉速顯示在數碼顯示品上。如果電機的轉速超過限定值，則電機會發出報警聲。通過鍵盤上的反轉按鈕可以使得電機反轉，正轉按鈕實現電機的反轉。

2.1LED顯示的設計

本設計中采用四位數碼顯示管進行顯示，如圖1所示。LED數碼管有共陰極和共陽極兩種，本設計采用的是四位共陰極的數碼顯示管，動態顯示驅動，它是單片機應用中最廣泛的一種顯示方式。所有數碼管的顯示筆劃包括小數點共8位，全部連在同一段，公共端增加位選通控制電路，由單獨的輸入輸出口來控制，分別是P24-P27四個端口。我們根據需要，讓需要顯示的數碼管的選通端打開，該為就會顯示出數字。通過輪流使選通端有效，實現數碼管的順序顯示，就是動態驅動。

圖1　LED顯示電路

2.2鍵盤的設計

在圖2中，一個復位按鍵加上五個控制按鍵組成一個簡易的控制鍵盤。其中的五個控制部分的線路分別與單片機的P32-P37口相連，另一端直接接地。通過按鍵的選擇來實現對電機的控制。SW2開關是用來設置報警的上限數值，SW3是實現電機加速，SW4是實現電機減速，SW5是實現電機啟動停止的功能，SW6是實現電機的正反轉功能。當有按鍵按下時與單片機相連的引腳就會出現低電平，這樣CPU就能判斷是否有按鍵按下。

圖2　鍵盤簡易電路

2.3紅外對管測速計數電路設計

本設計中采用紅外對電機的轉數進行計數，從而達到記錄電機速度的功能，具體電路如圖3所示。

圖3　紅外測速計數電路

即在電機轉動軸上固定一圓盤，圓盤上可有通光槽，在圓盤兩側設置發光元件和受光元件，電機轉動時，受光元件周期性受到光照，產生電脈沖，在一定時間內對脈沖進行計數，就可以換算出電機轉速。電機的測速方式有光反射法、磁電法、光柵法和霍爾開關檢測法。本設計中由于成本的限制，采用了性價比比較好的的光柵法來實現。［2］在電機的轉動軸上固定一個圓盤，它的邊緣上有N個等分凹槽，即通光槽，如圖4（a）所示。在圓盤的一側固定一個發光元件，本設計中用的是發光二極管，讓它的位置對準凹槽處。在另一側和發光二極管平行的位置上固定一個受光元件，本設計中選用的是光敏的三極管。如果電機轉動到凹槽處，發光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導通，反之三極管截止，電路如圖4（b）所示。從圖中可以得出電機每轉一圈在P32的輸出端就會產生N個低電平。這樣就可根據低電平的數量來計算電機此時轉速了。例如當電機以一定的轉速運行時，P32將輸出如圖5所示的脈沖波形。

圖4　測速電路

圖5　傳感器輸出脈沖波形

2.4蜂鳴電路

本設計中SW2按鍵可設置的電機的最高轉速。假設電機的最高轉速是每分鐘轉動3000圈，即每秒鐘轉動50圈。根據前面的分析，電機轉動一圈會產生N個低電平。經測試，本設計電機每轉動一圈有60個低電平，那么每秒就有3000個低電平，即輸出3000個脈沖信號。因此電機在轉動的過程中，如果產生的脈沖數低于3000，則P20口輸出低電平。反之，若電機轉動產生的脈沖數高于3000，則P20口輸出高電平，從而使得三極管導通，蜂鳴器發出報警聲。［3］電路如圖6所示。

圖6　電機報警電路

3　軟件設計

3.1主流程圖

前面是對電機控制裝置的硬件部分的設計，要想使得控制裝置能按照要求正常工作，需要對單片機進行編程，具體的流程圖如圖7所示。

3.2軟件編程的設計思路

本設計用C語言進行了簡單編程，運用單片機對顯示模塊進行動態掃描編程，將從鍵盤得來的高低電平信息進行處理，得到相應的信號。51單片機產生PWM信號則是使用定時器1、0控制PWM信號的頻率，定時器T1控制PWM信號的占空比。本程序啟用了兩個定時器T0，T1，分別應用了兩個中斷服務程序，T1的定時方式要根據電機轉速的大小而定。程序中，T0工作于方式1，因為方式1能夠通過修改定時器初值得到較寬頻率范圍的信號，使用定時器T1控制PWM信號的占空比，采用查詢方式嵌套在定時中斷服務子程序中，在T1定時器時段使輸出端為高電平，其它時段輸出低電平。［4］

編寫程序時要采用一段延時程序，本實驗應用了5個鍵盤，在使用鍵盤時應先去抖動，還應考慮到按鍵釋放的問題，而且要注意顯示數字的編碼不要錯誤。假設將TH0=0x00，TL0=0x00，TH1= 0x80，TL1=0x00。那么當程序編譯無誤后，按下啟動鍵，會在示波器上顯示出方波。將產生的脈沖送到P1-0，由其提供給電機使其轉動。通過改變T0可以改變頻率的大小，改變T1可以實現改變占空比的大小，即可以改變電機的轉速。也可以通過鍵盤來改變T0，T1，只需要在加鍵與減鍵的控制程序上稍加改動即可完成。［5］

圖7　系統程序框圖

［1］李廣弟.《單片機基礎》.北京：北京航空航天大學出版社，2001.8-10

［2］翟玉文等.《電子設計與實踐》.中國電力出版社，2005.5

［3］康華光主編《電子技術基礎》〈模擬部分〉，高等教育出版社第五版，2006.1

［4］李洋，張曉燕，田曉平編.EDA技術實用教程［M］.北京：機械工業出版社，2004.7

［5］李國洪，沈明山，胡輝.可編程器件EDA技術與實踐［M］.北京：機械工業出版社，2004.7

At present，the governor of the motor is basically used the frequency conversion speed regulation，the use of power semiconductor devices to switch off the power frequency power conversion to another frequency of power control device.We now use the converter mainly adopts the AC-DC-AC mode（VVVF inverter or variable frequency vector control），the first AC power into DC power supply through the rectifier，then the AC power into DC power supply frequency and voltage can be controlled by the supply of electric motive.And we are studying the laboratory，we hope to be able to integrate the various disciplines，but also suitable for our ability level. Therefore，the design of the DC motor has speed control，reversing and over speed alarm functions.

倪波，應天職業技術學院，機信系學生。