何健飛

?

基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制

何健飛

福建 福州 350001

直流電機(jī)是人類最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機(jī)。在各類機(jī)電系統(tǒng)中，由于直流電機(jī)具有良好的啟動、制動和調(diào)速性能，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個方面。介紹直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的意義、基于單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速方法和PWM基本工作原理以及實(shí)現(xiàn)方法。

直流電機(jī)調(diào)速；單片機(jī)

1 單片機(jī)的概述及發(fā)展趨勢

1.1 單片機(jī)的概念

單片機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。所謂單片機(jī)，通俗地說就是把中央處理器CPU（Control Processing Unit）、存儲器（memory）、定時/計數(shù)器和I/O（Input/Output）接口電路等一些計算機(jī)的主要功能部件集成在一塊電路芯片上的微型計算機(jī)。單片機(jī)又稱為微控制器MCU。中文“單片機(jī)”是由英文名稱Single Chip Microcomputer直接翻譯而來。目前，單片機(jī)是計算機(jī)家族中重要的一員，配上適當(dāng)?shù)耐鈬O(shè)備和軟件便可構(gòu)成一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)具有功能強(qiáng)、價格低和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科研及日常生活等各個領(lǐng)域。

1.2 單片機(jī)的發(fā)展趨勢

隨著大規(guī)模集成電路及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機(jī)將向著更深層次發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一：高集成度。一片單片機(jī)內(nèi)部集成的RAM/ROM容量增大，增加了電閃存儲器，具有掉電保護(hù)功能，并且集成了A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、定時/計數(shù)器、系統(tǒng)故障檢測及DMA電路等。

第二：引腳多功能，隨著芯片內(nèi)部功能的增強(qiáng)和資源的豐富，一腳多用的設(shè)計方案顯示出其重要地位。

第三：高性能。這是單片機(jī)發(fā)展所追求的一個目標(biāo)，更高的性能將會使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計變得更加簡單、可靠。

第四：低功耗。這將是未來單片機(jī)發(fā)展所追求的一個目標(biāo)，隨著單片機(jī)集成度的不斷提高，由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)體積越來越小，低功耗將是設(shè)計單片機(jī)產(chǎn)品時首先考慮的指標(biāo)。

2 系統(tǒng)論述

2.1 設(shè)計思路

直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的主要功能包括：實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和啟停，能夠很方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。主體電路：即直流電機(jī)PWM控制模塊。這部分電路主要由AT89S52單片機(jī)的I/O端口、定時計數(shù)器、外部中斷擴(kuò)展等控制直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，能夠很方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。其間是通過AT89S52單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號并輸入到L298驅(qū)動芯片來控制直流電機(jī)工作的。該直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)由以下電路模塊組成：

設(shè)計輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤來實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和啟停控制,以及對PWM占空比的LCD實(shí)時顯示。

設(shè)計控制部分：主要由AT89S52單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。直流電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)部分主要由一些二極管、電機(jī)和L298直流電機(jī)驅(qū)動模塊組成。

設(shè)計顯示部分：LCD液晶顯示部分，實(shí)現(xiàn)對PWM脈寬調(diào)制占空比的實(shí)時顯示。

2.2 設(shè)計框圖

圖1設(shè)計框圖

2.3 基本原理

2.3.1 直流電機(jī)工作原理

圖2直流電機(jī)的基本工作原理圖

對圖2所示的直流電機(jī)，如果去掉原動機(jī)，并給兩個電刷加上直流電源，如上圖（a）所示，則有直流電流從電刷A流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷B流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖（b）所示的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷A流入，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷B流出。

此時載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。這就是直流電動機(jī)的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。

實(shí)用中的直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個線圈構(gòu)成，同樣是由多個線圈連接而成，以減少電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動，繞組形式同發(fā)電機(jī)。

2.3.2 PWM調(diào)速工作原理

PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的電壓，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。也正因?yàn)槿绱?，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”，見圖3所示。

圖3 PWM信號的占空比

在PWM調(diào)速時，占空比是一個重要參數(shù)。以下3種方法都可以改變占空比的值。（1）定寬調(diào)頻法P；這種方法是保持t1不變，只改變t2，這樣使周期（或頻率）也隨之改變。（2）調(diào)頻調(diào)寬法:這種方法是保持t2不變，只改變t1，這樣使周期（或頻率）也隨之改變。（3）定頻調(diào)寬法:這種方法是使周期T（或頻率）保持不變，而同時改變t1和t2。

2.4 輸入模塊方案的比較與選擇

鍵盤是計算機(jī)不可缺少的輸入設(shè)備之一，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話的紐帶，借助鍵盤可以向計算機(jī)系統(tǒng)輸入程序、置數(shù)、送操作命令、控制程序的執(zhí)行走向等。在本設(shè)計中，使用者可通過鍵盤對電機(jī)進(jìn)行啟動和制動、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、加速和減速控制。在電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中常用的有獨(dú)立式鍵盤和矩陣鍵盤，本節(jié)主要針對鍵盤來進(jìn)行介紹和選擇。

圖4 按鍵電路

獨(dú)立式鍵盤指直接用I/O接口線構(gòu)成的單個按鍵電路。每個獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根I/O接口線，每根I/O接口線的工作狀態(tài)不會影響其他I/O接口線的工作狀態(tài)。獨(dú)立鍵盤如圖4所示。獨(dú)立式鍵盤按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但是每個獨(dú)立鍵盤都占用一個I/O接口，在按鍵數(shù)量較多時，浪費(fèi)I/O接口，所以其只適用在按鍵數(shù)量不多的系統(tǒng)中。

2.5 系統(tǒng)硬件組成

本設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)主要是由：單片機(jī)、驅(qū)動電路、直流電機(jī)、接口電路、鍵盤等部分組成。硬件電路組成框圖如圖5所示：

圖5 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件

本設(shè)計由單片機(jī)STC90C51接受鍵盤的信號并通過計算占空比產(chǎn)生出對應(yīng)的PWM信號輸出和控制信號輸出。在直流電機(jī)中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度信號傳送到STC90C51，STC90C51進(jìn)行定時計數(shù)，計算出直流電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速，并送LED顯示。

3 結(jié)束語

綜上所述，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，全球領(lǐng)域進(jìn)入了知識經(jīng)濟(jì)時代。在電子技術(shù)行業(yè)，由上個世紀(jì)的無線電時代到本世紀(jì)以計算機(jī)技術(shù)作為核心的電子系統(tǒng)時代，嵌入式系統(tǒng)就是電子系統(tǒng)的核心，而作為一種最為廣泛、最為普遍、最為典型的嵌入式系統(tǒng)——單片機(jī)來講，在現(xiàn)代智能化電子系統(tǒng)中分析、探索它的應(yīng)用和發(fā)展，意義重大。

[1]黃友銳.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2006:10.

[2]彭偉.C語言程序設(shè)計實(shí)訓(xùn)100例——基于8051+proteus仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3]趙航濤，潘永貞，賀永慶.基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制電路及編程[J].電腦知識與技術(shù)，2014（23）：5556-5558.

[4]鄒小陽.基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制[J].商情，2014（7）：373.

[5]石軍，林紅.基于LPC1768單片機(jī)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[J].電工電氣，2012（2）：26-28.

[6]王冬梅，侯春輝，路敬祎，等.基于單片機(jī)的直流電機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2015（19）：21-23.

[7]喬志杰，曾金明.基于Proteus的單片機(jī)PWM直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].九江學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，28（3）：48-50.

Microcontroller Based DC Motor Control

He Jianfei

Fujian Fuzhou 350001

The machine is a DC motor of the earliest human inventions and applications. In all types of mechanical and electrical systems, since the DC motor has a good start, braking and speed performance, DC motor speed control system has been widely used in industry, in all aspects of aerospace. Paper introduces the significance of DC motor speed control system, implementation method based on PWM DC motor speed PWM method and the basic working principle and microprocessor controlled.

DC motor speed; SCM

TM33

A

1009-6434(2016)07-0163-03

何健飛，身份證號碼3501811988****1971。