基于單片機的直流電機調速系統的設計

李美艷

（西安外事學院 工學院，陜西 西安710077）

基于單片機的直流電機調速系統的設計

李美艷

（西安外事學院 工學院，陜西 西安710077）

為了實現對直流電機控制的需求，提出了一種基于單片機為核心的直流電機調速系統設計方案，并完成系統的軟硬件設計。該系統的硬件部分主要用單片機控制輸入信號，軟件部分采用C51進行編程，能夠完成對直流電機的速度控制。實際應用表明，該系統具有操作簡便、調速準確的特點，達到了設計要求。

單片機；輸入信號；直流電機；速度控制

在工業企業的生產中，常用電機作為原動機去拖動各種生產機械，如各種機床、軋鋼機、鼓風機、傳送帶等。隨著自動控制系統的發展，對電機拖動系統的要求也愈來愈高，如提高加工精度以及工作速度，快速啟動、制動以及逆轉，實現寬范圍內的調速和整個生產過程的自動化等[1-2]。要完成這些任務，必須有自動化控制設備來控制直流電機，微型計算機及單片機的快速發展，使直流電機的控制發生了質的飛躍[3]。

1　直流電機結構與原理

小功率直流電機是由定子和轉子兩大部分組成。定子上有一磁極，磁極上繞有勵磁繞組。轉子由硅鋼片疊壓而成，轉子外圓有槽，槽內裝有電樞繞組，繞組通過換向器和電刷引出[4-5]。使用計算機控制小功率直流電機調速系統的方法，是通過改變直流電機電樞上的電壓接通或斷開時間的比值（即占空比）來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。這種方式稱為脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation），簡稱PWM[6-7]。在通電脈沖作用下：高電平時，馬達速度增加；低電平時，速度逐漸減少。改變通、斷電時間，可使馬達速度達到一定的穩定性[8-9]。

假設電機接通電源時，轉速為Vmax，則電機的平均速度為[10]:

上式中，Vd—電機的平均速度；

Vmax—電機全通電時的速度（最大）；

D=t1/T—占空比。

平均速度Vd與占空比D的函數曲線，如圖1所示。

圖1　Vd與D的函數曲線圖

2　直流電機控制系統架構

直流電機控制系統由以下五部分組成，如圖2所示。

1）占空比D的設定[11-12]

①人工設定：通過開關給定值(8位二進制數 )，改變開關的狀態，即可改變占空比的大小；

②用電位器給定：經A/D轉換器接到微型機作為給定值；

③由撥碼鍵盤給定：每個撥碼鍵盤給出一位BCD碼（4位二進制數），若采用兩位BCD碼數，則需并行用兩個撥碼開關。

2）寬度脈沖發生器

根據給定平均速度Vd，計算出占空比D，用軟件方法實現。

3）驅動器

將計算機輸出的脈沖寬度調制信號加以放大，控制電機定子電壓接通或斷開的時間。由放大器/繼電器，TTL集成電路組成驅動器構成[13]。

4）電子開關(大功率場效應管開關、固態繼電器或可控硅)

用來接通或斷開電機定子電源。一般需要加光電隔離器。

5）電機

被控對象，用以帶動被控裝置。

圖2　系統框架圖

3　直流電機控制接口

直流電機控制接口元器件包括固態繼電器、大功率場效應管、專用接口芯片（如L290、L291、L292）以及接口板，所以直流電機與微型機接口可采用以下4種方法[14]：

1）光電隔離器＋大功率場效應管；

2）固態繼電器；

3）用接口芯片；

4）專用接口板；

圖3　固態繼電器接口

本文采用如圖3所示的固態繼電器接口技術，3管腳經限流電阻R接＋5V直流電流。I/O接口的控制管腳，例如P1.0，經驅動器7406接到固態繼電器第4管腳。當P1.0輸出為高平電時，經反向驅動器7406輸出低電平，使固態繼電器發光二極管發光，并使光敏三極管導通，從而使直流電機繞組通電。反之，當PC0輸出為低電平時，發光二極管無電流通過，不發光，光敏三極管隨之截止，因而直流電機繞組沒有電流通過。圖3中V1為固態繼電器內部的保護電路，V2為電機保護元件。使用時，應根據直流電機的工作電壓、工作電流來選定合適的固態繼電器[15]。

圖4　開關控制直流電機示意圖

開關控制直流電機如圖4所示，開關SW1和SW4閉合時，電機全速正轉；開關SW2和SW3閉合時，馬達全速反轉；SW2和 SW4（或SW1和SW4）閉合時，電機繞組被短路，電機處于剎車狀態；將4個開關全部打開，電機自由滑行。

完整的雙向直流電機調速控制接口電路如圖5所示，采用8155作為并行接口電路。設8155 A口為輸出方式，B口和C口為輸入方式。A口PA1，PA0經4總線緩沖門74LS125和反向驅動器74LS06控制4個光電隔離器和4個大功率場效應開關管IRF640（圖4中用SW1～SW4表示）。

1）單片機經8155 A口輸出控制模型

輸出02H控制模型時，使SW1、SW4導通；SW2、SW3關斷，電流從左至右流過直流電機，使電機正轉。

輸出01H控制模型時，使SW2和SW3接通；SW1和SW4關斷，電流由右向左流過電機，使電機反轉。

輸出03H控制模型時，剎車。

輸出00H控制模型時，滑行。

2）單片機從8155 B口讀入 8個開關的狀態，作為脈沖寬度給定值N以實現脈沖寬度調速。

3）C口的PC0和PC1各接一個單刀雙擲開關。

PC0位為方向控制位：

當PC0=0時，電機正向運行；

PC0=1時，電機反轉。

PC1位用來控制電機的啟動和停止：

若PC1=0，電機啟動；

當PC1=1，電機停止。

圖5　雙向直流電機控制接口電路

4　系統軟件設計

系統軟件設計流程圖如圖6所示，具體實現過程如下：

1）對8155初始化:

設其 A口 為輸出方式，B口、C口為輸入方式。

2）讀入方向控制標志:給定值N。

啟動判斷:決定是否啟動電機。如不需要啟動，則繼續檢查；

需要啟動，進一步判斷設置的電機轉動方向。

3）讀入占空比D的給定值。

4）按照要求輸出正向（或反向）控制代碼，

查對及判斷脈沖寬度（單位脈沖個數）是否達到給定值:

如未達到要求，則繼續輸出控制代碼；

達到給定值，便輸出剎車（或滑行）代碼。

5）重復上述過程，即可達到給定的電機旋轉速度。

圖6　軟件設計流程圖

5　結束語

該直流電機調速系統采用單片機控制雙向直流電機為硬件平臺，軟件設計采用模塊化設計思想，提高了直流電機調速系統的可靠性和穩定性。該調速系統將輸入的信號通過單片機轉換后輸出控制信號，通過驅動電路調節直流電動機的轉速，并且能夠實時監控直流電動機的速度。實際應用表明該調速系統具有速度調節準確、系統穩定可靠、人機界面友好等特點，達到了設計要求。該設計方案可以應用在許多方面，包括電機調速、溫度控制和壓力控制等。

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Design of DC motor speed control system based on single-chip microcomputer

LI Mei-yan
（College of Engineering，Xi’an International University，Xi’an 710077，China）

In order to satisfy the requirement of the DC motor control，the design of the DC motor speed control system based on single-chip microcomputer is designed in this paper.The hardware system is used to produce the input signals of single-chip microcomputer.The software system adopts the c software as development environment，able to achieve the DC motor speed control.The experiment and application show that this test system has good performance，and achieve the design requirement.

single chip microcomputer；input signal；DC motor；speed control

TN710

A

1674－6236（2016）22-0158-03

2015-11-28稿件編號：201511280

李美艷（1974—），女，陜西乾縣人，碩士，講師。研究方向：自動控制技術。