【摘 要】電動機的控制技術在近二十年有了翻天覆地的變化，其中電動機的控制部分已經由模擬控制逐漸讓位于以單片機為主的微處理器控制，形成數(shù)字與模擬的混合控制系統(tǒng)和純數(shù)字控制系統(tǒng)的應用，正向全數(shù)字控制的方向快速發(fā)展。電動機的驅動部分所用的功率器件經歷幾次更新?lián)Q代，目前開關速度更快、控制更容易的全控型功率器件成為主流。功率器件控制條件的變化和微電子技術的使用也使新型的電動機控制方法能夠得到實現(xiàn)。脈寬調制控制方法（PWM和SPWM）、變頻技術在直流調速和交流調速中獲得廣泛的應用。永磁材料技術的突破與微電子技術的結合又產生了一批新型的電動機。如永磁直流電動機、交流伺服電動機、開關磁阻電動機、超聲波電動機、專為變頻調速設計的交流電功機等。這—切變化似乎都在瞬間完成的，讓人感覺到了技術進步的魅力。本文研究了基于單片機的直流電機控制器設計，并對其的實際應用進行了分析。

【關鍵詞】直流電機 單片機 轉速控制

一、系統(tǒng)方案的設計

1. 方案設計思想及原理。如今電機在工業(yè)生產，裝備制造中的應用十分廣泛，而其速度控制對不同的生產過程至關重要。本設計就是基于單片機的直流電機控制，控制算法采用數(shù)字PID調節(jié)技術。該系統(tǒng)以KL25Z128VFM單片機為核心，其輸出占空比可調的PWM波，進而實現(xiàn)對直流電機轉速的控制?；魻杺鞲衅鲗㈦姍C的速度轉換成脈沖頻率以后作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號，從而達到轉速的無靜差調節(jié)。系統(tǒng)通過數(shù)碼管來顯示電機的轉速，并通過鍵盤設置調節(jié)轉速和正反轉。

2. 總體方案設計。根據(jù)任務要求，設計出的系統(tǒng)總體方框圖。其中控制器模塊為本次系統(tǒng)的核心，在電機啟動轉動的過程中單片機輸出的PWM脈沖信號輸送給電機驅動模塊，然后經過放大后控制直流電動機的轉速；反饋環(huán)節(jié)，利用速度檢測模塊獲取此時電機的轉速；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置的轉速及狀態(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。

二、系統(tǒng)硬件設計

1. 單片機電路設計。為了提高電機的控制精度，系統(tǒng)選用了Freescale公司的KL25Z128VFM單片機。該單片機屬于32位ARM-M0+高性能微控制器芯片，工作頻率達到48MHZ，總線速度達到24MHZ，具有處理速度快、低功耗、抗干擾性強的特點。該芯片內部集成了128KFlash存儲單元，單片機通過改變這兩個管腳的電平，實現(xiàn)對電機4種狀態(tài)的控制，完全能滿足直流電機控制的需要。

2. H橋電路設計。本系統(tǒng)的直流電機控制采用了較為成熟的H橋驅動電路，由4個場效應管和電壓轉換芯片CD4504組成，具有工作頻率高、電流驅動能力大、安全、低成本和電能轉換效率高等特點。Q1，Q2選用P溝道IRF4905場效應管，Q3，Q4先用N溝道IRF3205場效應管，構成H橋驅動電路。CD4504的Ain和Cin引腳分別與單片機PTB0和PTB1引腳相連， CD4504的Aout與場效型管Q1、Q3的柵極相連，Cout引腳與場效型管Q2、Q4的柵極相連接，構成H橋驅動控制

電路。當Ain輸入3.3V的高電平，Cin輸入0V低電平時，Aout輸出7.2V高電平，Cout輸出0V低電平，此時Q1和Q4導通，Q2和Q3關閉，電機正轉；當Ain輸入0V的低電平，Cin輸入3.3V高電平時，Aout輸出0V低電平，Cout輸出7.2V高電平，此時Q2和Q3導通，Q1和Q4關閉，電機反轉。該電路具有一定的保護功能，第一CD4504具有3.3V和7.2電源物理隔離的功能，第二具有電機邏輯保護功能，不會構成電路短路的現(xiàn)象，當Ain和Cin都輸入3.3V高電平，此時Q1和Q2導通，Q3和Q4關閉，電機不轉；當Ain和Cin都輸入0V低電平時，此時Q1和Q2關閉，Q3和Q4導通，電機不轉。

3. 輔助電路。系統(tǒng)輔助電路主要包括通訊、電源、人機交互三部分。人機交互模塊主要包括撥碼盤、OLED液晶顯示等，戶通過撥碼盤可以設置電機旋轉方向和旋轉速度，通過OLED液晶屏顯示電機的旋轉、方向和設定值。系統(tǒng)電源模采用低壓差LM1117-3.3芯片，為單片機、CD4504和人機交互等模塊提供穩(wěn)定、可靠的500MA電流的3.3的直流電壓。

三、系統(tǒng)軟件設計

1. 軟件的設計思想。本系統(tǒng)軟件可由C語言編寫，編譯鏈接后下載到KL25Z128VFM中運行，軟件能夠實現(xiàn)本設計的功能要求，程序通過鍵盤信號采集、時序生成和對延時計數(shù)器賦值來產生符合要求的控制信號。

2. PID算法。在本系統(tǒng)通過編碼器采集電機的旋轉脈沖，然后由單片機輸入捕捉模塊完成旋轉速度的采集，構成電機的閉環(huán)控制。本系統(tǒng)在電機速度控制編程中使用了PID控制算法，該算法具有結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便等特點，是閉環(huán)控制領域使用最多的算法。

直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流調速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調試困難，阻礙了直流電動機控制技術的發(fā)展和應用范圍的推廣。隨著單片機技術的不斷進步，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的穩(wěn)定性能。采用單片機構成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。

參考文獻：

[1]李錄鋒. 探討單片機應用系統(tǒng)抗干擾能力的措施[J]. 機床與液壓，2005（12）：85-86.

[2]黃智偉，王兵，朱衛(wèi)華.ARM微控制器應用設計與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[3]周林. PWM控制瞬時值比較法的穩(wěn)定性分析[J]. 電氣應用，2007（1）：45-46.