侯　斌

[摘要]介紹一種單片機（如89C51型）在直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用、實現(xiàn)方法以及硬件結(jié)構(gòu)等。直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)采用了霍爾元器件測量電動機的轉(zhuǎn)速，用此種單片機對直流電動機的轉(zhuǎn)速進行了控制，用DAC0832芯片實現(xiàn)輸出模擬電壓值來控制直流電動機的轉(zhuǎn)速。

[關(guān)鍵詞]單片機 直流電機 轉(zhuǎn)速控制 硬件設(shè)計 軟件設(shè)計 工作原理

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2009）0110020-01

由于直流電動機具有良好的起動、制動性能，適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，因此在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。而且，從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖的動系統(tǒng)的基礎(chǔ)，早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，由運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試困難，阻礙了直流電動機控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機技術(shù)的日新月異，使許多控制動能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，不但為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，而且使系統(tǒng)能達到了更高的性能，從而大大節(jié)約了人力資源，降低了系統(tǒng)成本，有效地提高了工作效率。

一、轉(zhuǎn)速的測量原理

轉(zhuǎn)速是工程上一個常用的參數(shù)，旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速常以每分鐘的轉(zhuǎn)速來表示，其單位為r/min。轉(zhuǎn)速的測量方法很多，由于轉(zhuǎn)速是以單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速來衡量的，因此采用霍爾元件測量轉(zhuǎn)速是較為常用的一種測量方法。

霍爾器件是由半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，設(shè)其長為L、寬為b、厚度為d。若在垂直于薄片平面方向（即沿厚度d的方向）施加外磁場，在沿長為L的方向的兩個端面加以外電場，則其內(nèi)部會有一定的電流經(jīng)過。由于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛侖磁力，其大小為：F1=qvB

式中：F1為洛侖茲力；q為載流子電荷；v為載流子運動速度；B為磁感應(yīng)強度。

由于受洛侖茲力，電子的運動軌跡將發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電核過剩，形成霍爾電場。在霍爾元器件兩個側(cè)面間形成的電位差稱為霍爾電壓，其大小為：UH=RHIB/d

式中，RH為霍爾常數(shù)，I為控制電流。設(shè)KH=RH/d，則UH=KHIB

式中：KH稱為霍爾器件的靈敏系數(shù)，它表示該霍爾元件在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應(yīng)注意，當電磁感應(yīng)強度B反向時，霍爾電動勢也反向。若控制電流保持不變，則霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場強度而變化。根據(jù)這一原理，可以將一塊永久磁鋼固定在電動機轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場影響，故可輸出脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出霍爾元件輸出脈沖的周期或頻率即可計算出轉(zhuǎn)速。

二、直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

通過自制5V電源（圖1）來確保工作電壓正常，由霍爾元件及外圍器件組成的測速電路將電動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號，送至89C51單片機的計數(shù)器T1，由T1測出電動機的實際轉(zhuǎn)速，并與設(shè)定值比較形成偏差；根據(jù)比較結(jié)果，使DAC0832輸出的控制電壓增大或減小；功放電路將DAC0832輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)換成具有一定輸出功率的電動機控制電壓。其控制原理如圖1所示。

三、直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)程序的功能是用89C51單片機的TO、T1測出電動機的實際轉(zhuǎn)速，并與給定值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果，使DAC0832芯片的輸出控制電壓增大或減小。30H單位存放實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定值是否相等的標志，“1”表示相等，“0”表示不相等；40H單位存放送入DAC0832芯片的數(shù)字控制電壓；7FFFH為DAC0832地址。

四、直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的工作原理

直流電動機的轉(zhuǎn)速與施加于電動機兩端的電壓大小有關(guān)。本系統(tǒng)用DAC0832控制輸出到直流電動機的電壓的方法來控制電動機的轉(zhuǎn)速。當電動機轉(zhuǎn)速小于設(shè)定值時，DAC0832芯片的輸出電壓增大；當大于設(shè)定值時，則DAC0832芯片輸出電壓減小，從而使電動機以設(shè)定的速度恒速旋轉(zhuǎn)。我們采用比例調(diào)節(jié)器算法，控制規(guī)律為：Y=KPe(t)+K1e(ft)dt

式中：Y為比例調(diào)節(jié)器輸出；KP為比例系數(shù)；K1為積極系數(shù)；e(Ft)為調(diào)節(jié)器的輸入，一般為偏差值。

系統(tǒng)采用了比例積分調(diào)節(jié)器，簡稱PI調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)在擾動的作用下，通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用使電動機的轉(zhuǎn)速達到靜態(tài)無差，從而實現(xiàn)了靜態(tài)無差。無靜差調(diào)速系統(tǒng)中，比例積分調(diào)節(jié)器的比例部分使動態(tài)響應(yīng)比較快（無滯后），積分部分使系統(tǒng)消除靜差。

五、結(jié)論

本系統(tǒng)用單片機構(gòu)成電動機轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)，采用比例積分調(diào)節(jié)器算法，不但效率高，而且電路簡單，在實踐中得到了比較廣泛的應(yīng)用。

作者簡介：

侯斌，2003年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)任蘭州鐵路局蘭西車輛段助工，從事機械動力設(shè)備的管理、保養(yǎng)和維修等工作。