基于單片機的直流電機控制

史展

【摘 要】直流電機得到了廣泛的應用，但是其在應用過程中存在抗干擾性較差等缺點，因此在運行過程中對環境有著很高的要求。在單片機直流電機控制器設計的基礎上，制定了相應的控制方案，直流電機控制器主要包括的內容有，選擇單片機，設計直流電機控制系統，方案的制定主要從硬件電路的設定和單片機直流控制原理兩方面入手，最終實現對單片機直流電的合理控制。

【關鍵詞】單片機；直流電機；控制

1 概述

隨著國民經濟的快速發展以及科學技術的不斷快速提高，我國逐步完成由農業大國向工業大國的轉變，社會現代工業自動化化水平不斷提升。在當前社會的機械、冶金、石化、國防等工業部門中，電動機作為能量轉換的傳動裝置被廣泛應用。隨著工業水平的快速提升，人們對產品的質量和制作工作水準要求越來越高，這就使得人們對于工業生產者電動機的運轉控制要求越來越精細。基于單片機的電動機控制，不僅可以利用單片機信號精密準確的特點，而且可以實現電動機的自動化控制，使得電動機在單片機程序的控制下，穩定準確地帶動生產設備來完成工業加工。因此，對于單片機的學習以及直流電機的工作原理的學習與研究，對于單片機控制直流電機運轉來實現工業自動化具有非常重大的實用價值和現實意義。

2 基于單片機的直流電機控制器設計

2.1 單片機的選擇

根據需求，本文選取的PIC單片機與其他單片機相比其有如下特點：1）使用哈佛總線結構，從而有了更多的技術保障，確保了工作工程中的各項指令能得到很好的執行；2）同其他單片機相比，PIC單片機尋址方式更少，所以PIC單片機尋址操作使用會更加方便；3）同其他單片機相比，PIC單片機能夠存放的指令更多，可以達到一千余條，儲存能力強，同時還可以節省程序存儲空間，PIC單片機與其他單片機相比功能會更加的強大，引腳會更少，它能夠直接帶動LED負載。同時，PIC單片機具有構造簡單、抗干擾能力強等幾個方面的優點。

2.2 基于單片機直流電機控制器系統結構設計

PIC單片機在直流電機多速控制器系統中，它是系統的“大腦”，承擔著核心的角色。對PIC單片機的設計可以通過鍵盤輸入運行參數來實現。比如通過運行電路參數、顯示電路參數、D/A轉換電路參數等等來完成PIC單片機的設計。本文設計的基于單片機技術的直流電機控制器采用分辨率為1024的數字MR編碼器，其型號為L。由于在實際運行中單片機I/O口的限制，額外增加了外圍硬件確保對于運行過程中的段位進行顯示，同時在設定時間、轉速以及實際測量轉速上做到有效的干預。該系統運用RS-232串行通信，波特率設定在192000bps，系統的構成方式為4×4行列式鍵盤，鍵盤包括：0到9十個數字鍵、確認鍵、退出鍵、設置鍵、返回鍵等等。

3 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。

4 單片機控制直流電機

4.1 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。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。

4.2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

4.3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。

5 結語

單片機直流電機在應用過程中所扮演角色非常重要，在應用過程中需要加強對其的控制，只要通過不斷的研究，掌握了控制過程中的重點內容，才能得到優秀的控制算法和清晰的設計思路，從而得到合理的控制方法，使直單片機直流電機的控制變得更加科學合理。

參考文獻：

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（作者單位：天津理工大學電氣電子工程學院）