張永志

摘 要：?jiǎn)纹瑱C(jī)是一種功能強(qiáng)、體積小、可靠性高的大規(guī)模集成電路器件，而電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)主要由模擬控制讓位于以單片機(jī)為主的微處理器控制，以形成數(shù)字和模擬的混合控制系統(tǒng)與純數(shù)字控制系統(tǒng)的運(yùn)用。隨著單片機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，被廣泛運(yùn)用在較多領(lǐng)域中。本文就基于單片機(jī)控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，就其原理和設(shè)計(jì)框架展開分析。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制；PWM直流調(diào)速系統(tǒng)；電動(dòng)機(jī)；設(shè)計(jì)原理

伴隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)控制已經(jīng)被廣泛運(yùn)用在各行各業(yè)中，而對(duì)于工業(yè)的過程控制更是單片機(jī)控制技術(shù)的重要領(lǐng)域。開篇提到，電動(dòng)機(jī)的控制部分，已經(jīng)由原來(lái)的模擬控制技術(shù)逐漸變?yōu)橐詥纹瑱C(jī)為主的微處理器控制，最終形成了數(shù)字與模擬的混合控制系統(tǒng)，并且正在向著全數(shù)字的控制方向發(fā)展。下文基于以8032單片機(jī)為核心的小功率直流電機(jī)為對(duì)象，分析采用了PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的原理和框架。

1 小功率電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理分析

一般來(lái)說，要控制小功率的電動(dòng)機(jī)，運(yùn)用體積小、功能強(qiáng)的單片機(jī)來(lái)控制是最方便的。首先，通過改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓接通時(shí)間和通電周期的比值，也就是說要改變電動(dòng)機(jī)的占空比來(lái)控制電機(jī)的速度，這也是我們常說的脈沖寬頻調(diào)制技術(shù)（PWM）。其原理如圖1所示，我們可以看出，單片機(jī)通過控制脈沖占空比，利用頂寬調(diào)頻法或者調(diào)寬調(diào)頻法、定頻調(diào)寬法等幾種方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓。事實(shí)上，定寬調(diào)頻法與調(diào)寬調(diào)頻法都是依靠改變周期來(lái)實(shí)現(xiàn)控制目的的，當(dāng)控制頻率接近于固有頻率時(shí)，電機(jī)就會(huì)產(chǎn)生震蕩，因此對(duì)于實(shí)際的使用產(chǎn)生不便，所以這兩種方式一般很少使用。

2 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框架分析

下圖為采用8032單片機(jī)的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框架圖，系統(tǒng)主要通過軟件編程定義鍵盤的各個(gè)鍵功能來(lái)達(dá)到顯示控制的目的。

從圖中可以看出，系統(tǒng)主要由按鍵輸入來(lái)下達(dá)命令給單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)的判斷識(shí)別和處理后由單片機(jī)將控制信號(hào)傳送到PWM控制模板中。這中間經(jīng)過H橋驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)不同的脈沖占空比來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，再經(jīng)由光電編碼器測(cè)速后反饋到單片機(jī)中與給定值相比較。最后，通過LED數(shù)碼管顯示輸出，再根據(jù)反饋的偏差值發(fā)出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)以實(shí)現(xiàn)閉控制。所謂光電編碼器就是一種通過使用光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械結(jié)合位移量轉(zhuǎn)換為脈沖的傳感器，主要由光柵盤和光電檢測(cè)裝置構(gòu)成，因光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)兩者同速，再經(jīng)由發(fā)光二極管等電子元件的監(jiān)測(cè)裝置后再輸出脈沖信號(hào)，以監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

事實(shí)上，在數(shù)控機(jī)床的直流伺服系統(tǒng)中，我們主要還是通過改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓值來(lái)實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。通常采用的是晶閘管相控整流調(diào)速以及大功率的晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速（PWM）等方式，這兩種方法也非常適合與小功率的電機(jī)使用。一方面愛用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過改變脈沖的寬度，使得電動(dòng)機(jī)的占空比改變，從而實(shí)現(xiàn)改變電樞電壓平均值，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。另一方面，使用PWM直流調(diào)速系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的有很多優(yōu)勢(shì)。其主電路簡(jiǎn)單，所用的功率元件就少；且其開放的頻率驕傲，可以有效避開機(jī)床的共振區(qū)，保證電動(dòng)機(jī)的工作平穩(wěn)度；另外，PWM直流調(diào)速系統(tǒng)采用的是功率較小的慣量電機(jī)時(shí)，其定位速度與精度都較高；且其低速時(shí)性能最好，穩(wěn)速精度也較高，可調(diào)速的范圍也寬，抗干擾能力強(qiáng)。

3 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分析

在基于單片機(jī)控制系統(tǒng)的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)中，各個(gè)應(yīng)用軟件一般是按照系統(tǒng)的功能需求來(lái)設(shè)計(jì)的，能夠穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。軟件系統(tǒng)一般包括：初始化程序、鍵盤的掃描程序、處理程序、定時(shí)器、信號(hào)發(fā)生程序、測(cè)速模塊以及顯示程序模塊幾大部分，具體如圖3所示。

如圖所示，系統(tǒng)經(jīng)過初始化程序后要進(jìn)行鍵值的讀取，并根據(jù)按鍵的不同設(shè)計(jì)值對(duì)系統(tǒng)發(fā)出控制命令，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速。然后，再由測(cè)速模板將每次返回的值與設(shè)定值進(jìn)行比較，采用PID控制算法，以對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定以保持整個(gè)過程的良好運(yùn)行，最終完成系統(tǒng)的控制要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

終上所述，基于單片機(jī)控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)主要是通過單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的各項(xiàng)調(diào)整，而這種調(diào)整也有多重方式。只要我們熟悉整個(gè)單片機(jī)的硬件與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，清楚整個(gè)控制流程和命令的傳輸，就能使用PWM直流調(diào)速系統(tǒng)輕松控制電動(dòng)機(jī)，保證電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。

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