劉玉剛

摘 要 在工業(yè)生產(chǎn)中，隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷創(chuàng)新，電力電子技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的發(fā)展，其技術(shù)也已應(yīng)用到各個行業(yè)中。在各類機電系統(tǒng)中，因為直流電機具有良好的啟動、制動和調(diào)速性能，所以直流電機調(diào)速系統(tǒng)已全面運用于航空、工業(yè)領(lǐng)域的各個方面。

關(guān)鍵詞 AT89S52單片機；數(shù)字PID；PWM脈沖

中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0041-01

電動機在當(dāng)今社會的工業(yè)生產(chǎn)中，是主要的驅(qū)動設(shè)備，尤其是直流電動機，因為它的平滑調(diào)速性和結(jié)構(gòu)上的簡單，所以成為了許多電器，比如吸塵器，空調(diào)等的驅(qū)動。但對于直流電機的控制，最流行的是采用可控硅裝置向電動機供電，即KZ—D拖動系統(tǒng)。起初的控制系統(tǒng)是發(fā)電機—電動機系統(tǒng)，非常的笨重。隨著電力電子技術(shù)的飛躍發(fā)展和單片機的成熟使用，使得直流電機調(diào)速系統(tǒng)從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變。而PWM脈寬調(diào)制，是現(xiàn)在應(yīng)用最成熟的方法。它來源于電力電子的橋式電路，通過單片機可進行簡單的模擬，而將它們結(jié)合起來，由電力電子元件組橋進行方向控制，而由單片機產(chǎn)生PWM波控制晶閘管的門極。調(diào)節(jié)占空比就能夠控制電機的平均電壓，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。

1 系統(tǒng)方案的設(shè)計

1.1 方案設(shè)計思想及原理

如今電機在工業(yè)生產(chǎn)，裝備制造中的應(yīng)用十分廣泛，而其速度控制對不同的生產(chǎn)過程至關(guān)重要。本設(shè)計就是基于單片機的直流電機轉(zhuǎn)速控制，控制算法采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)技術(shù)。該系統(tǒng)以AT89S52單片機為核心，其輸出占空比可調(diào)的PWM波，進而實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的控制?；魻杺鞲衅鲗㈦姍C的速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率以后作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號，從而達到轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)。系統(tǒng)通過數(shù)碼管來顯示電機的轉(zhuǎn)速，并通過鍵盤設(shè)置調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。

1.2 方案論證比較

1）控制器模塊的選擇。

結(jié)合本次設(shè)計任務(wù)要求，可以清晰的知道控制器模塊所要進行的工作為，產(chǎn)生一個PWM脈沖而這個脈沖的占空比還要受到數(shù)字PID算法的控制，并且還要對速度檢測模塊傳來的數(shù)據(jù)進行處理與采集，再通過數(shù)字PID算法運算得出當(dāng)前所需的占空比脈沖信號。

2）電機驅(qū)動模塊的選擇。

對于電機驅(qū)動有以下兩種方案。

方案一：采用專門的電機驅(qū)動芯片，目前這類芯片已相當(dāng)成熟。其抗干擾能力，安全性、可靠性都很高，應(yīng)用時只需將其與其他元件正確連接即可。

方案二：采用大功率的晶體管組合電路構(gòu)成驅(qū)動電路，這種方案雖然結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模擬電路本身抗干擾能力差、可靠性也低。

因此，從實際情況的角度考慮，本次設(shè)計的電機驅(qū)動模塊采用方案一。

3）速度采集模塊的選擇。

本次設(shè)計是一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，需要把速度采集模塊采集的電機轉(zhuǎn)數(shù)與設(shè)定值比較，進而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。對于速度采集模塊的設(shè)計方案有以下兩種：方案一：采用霍爾傳感器；方案二：采用對射式光電傳感器。

1.3 總體方案設(shè)計

根據(jù)任務(wù)要求，設(shè)計出的系統(tǒng)總體方框圖。其中控制器模塊為本次系統(tǒng)的核心，在電機啟動轉(zhuǎn)動的過程中單片機輸出的PWM脈沖信號輸送給電機驅(qū)動模塊，然后經(jīng)過放大后控制直流電動機的轉(zhuǎn)速；反饋環(huán)節(jié)，利用速度檢測模塊獲取此時電機的轉(zhuǎn)速；運用數(shù)字PID算法改變PWM脈沖信號的占空比，從而就實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)速控制的目的。而鍵盤模塊與顯示模塊可以用來人和機器的互動功能，可以通過鍵盤模塊把想要設(shè)置的轉(zhuǎn)速及狀態(tài)輸送給控制模塊，還可以通過顯示模塊顯示到數(shù)碼管上面。

主要模塊功能如下：

1）單片機與霍爾模塊：此模塊主要通過霍爾傳感器對電機旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進行檢測，在其輸出端形成一系列矩形波，送給單片機AT89S52計數(shù)器0進行計數(shù)，再由單片機AT89S52的P0口送到顯示模塊進行顯示。

2）鍵盤模塊：由于本系統(tǒng)需要控制電機轉(zhuǎn)速，所以需要對單片機進行輸入所設(shè)置的參數(shù)并輸出測得的速度顯示在數(shù)碼管上，因此設(shè)計了一個鍵盤電路來滿足系統(tǒng)的功能。接入七個按鍵到P10、P11、P12、P13、P14、P15這幾個端口，當(dāng)按下其中一個按鍵時，對應(yīng)的P1端口就會變?yōu)榈碗娖?，而在軟件設(shè)計編程的時候就可以利用這個低電平來設(shè)計它所需實現(xiàn)的功能。

3）數(shù)碼管顯示模塊：本次設(shè)計需要顯示設(shè)置的電機速度以及實時的電機速度，為此設(shè)計了數(shù)碼管顯示電路來進行系統(tǒng)的顯示。數(shù)碼管顯示電路采用的是動態(tài)顯示的方法，系統(tǒng)所測得的結(jié)果經(jīng)過單片機P0端口的輸出，通過單片機P2端口的輸出位掃描信號來得到測量數(shù)據(jù)的動態(tài)掃描顯示。

2 軟件模塊的設(shè)計

2.1 軟件的設(shè)計思想

本系統(tǒng)軟件可由C語言編寫，編譯鏈接后下載到AT89S52中運行，軟件能夠?qū)崿F(xiàn)本設(shè)計的功能要求，程序通過鍵盤信號采集、時序生成和對延時計數(shù)器賦值來產(chǎn)生符合要求的控制

信號。

2.2 主程序的設(shè)計

按照要求可設(shè)計出了系統(tǒng)主程序流程。

2.3 按鍵功能部分

將鍵盤劃分為執(zhí)行、增速、減速、正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)等。當(dāng)執(zhí)行鍵按下，則電機開始工作，啟動時設(shè)置速度為默認速度，可以通過增速、減速兩個鍵來更改設(shè)定速度，最終由單片機通過PID算法來控制電機轉(zhuǎn)速接近設(shè)定值。同時，電機的正反轉(zhuǎn)也可以通過鍵盤來控制。

2.4 數(shù)碼管顯示部分

數(shù)碼管顯示流程圖，分別送命令和數(shù)據(jù)，最后顯示。

3 結(jié)論

1）通過按鍵輸入所需轉(zhuǎn)速值到單片機，然后單片機產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM脈沖來調(diào)節(jié)直流電機的轉(zhuǎn)速。

2）當(dāng)實物制作結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)不能實現(xiàn)預(yù)期功能，原因出現(xiàn)在制作過程中電機驅(qū)動模塊沒有進行預(yù)先調(diào)試。

3）系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可以方便地用于直流電機的調(diào)控，為后續(xù)產(chǎn)品研發(fā)做好基礎(chǔ)。

4）如若進一步研究本課題，可以研究其他的電機以及速度采集?？?。

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