丁健鴻

【摘要】本文旨在介紹單片機(jī)控制直流電機(jī)的整體思想和核心框架，從直流電機(jī)的工作原理入手，詳細(xì)闡述了其旋轉(zhuǎn)的核心原理，然后通過對PWM技術(shù)的介紹，以及對單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對直流電機(jī)的智能控制。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；占空比；PWM

1.概述

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，人們對物質(zhì)生活水平的要求越來越高，他們迫切希望能夠通過高的科學(xué)技術(shù)水平來提升人們的物質(zhì)生活條件和水平，日常生產(chǎn)生活中的各種事宜都能按照人們的意愿，自動(dòng)地完成。這就要求在生活中使用各種電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備完成人們的預(yù)期的功能。直流電機(jī)是目前電動(dòng)機(jī)中穩(wěn)定性較高、應(yīng)用范圍較廣的設(shè)備，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在社會(huì)的交通、航空、工業(yè)、政府等各個(gè)領(lǐng)域中的方方面面。然而，人們對電動(dòng)機(jī)的要求，不僅僅是能夠帶動(dòng)機(jī)械設(shè)備完成相應(yīng)的工作，而且是要在不同的環(huán)境條件下，按照不同的速度進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提供更加高質(zhì)量的服務(wù)。直流電機(jī)的調(diào)度性能非常良好，而且有專門的外部接口能夠?qū)χ绷麟姍C(jī)進(jìn)行速度控制，從而實(shí)現(xiàn)不同條件下的速度要求。單片機(jī)是人工智能化的核心控制設(shè)備和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，能夠?qū)⑷藗兊南敕?，通過計(jì)算機(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)在單片機(jī)中，并且通過專門的電路和接口生成固定的控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對各種設(shè)備的控制。如何實(shí)現(xiàn)通過單片機(jī)來控制直流電機(jī)，是非常值得研究的問題，通過單片機(jī)生成調(diào)速信號(hào)，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)工作，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，這對于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化功能、提升生活質(zhì)量來說，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.直流電機(jī)的工作原理

電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能的專業(yè)設(shè)備，而直流電動(dòng)機(jī)則是以直流電為驅(qū)動(dòng)電源的一種旋轉(zhuǎn)設(shè)備，通過內(nèi)部的磁極、電刷、鐵芯、繞線組等構(gòu)成的定子和轉(zhuǎn)子，將直流電轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的磁場，通過磁場作用產(chǎn)生動(dòng)力。直流電機(jī)的定子是固定的，上面有兩個(gè)固定的永久磁鐵，電刷則是與電源直接連通，當(dāng)有直流電通過時(shí)，電刷連接轉(zhuǎn)子繞線組形成回路，電流通過產(chǎn)生磁場，該磁場與定子永久磁鐵的磁場相互作用，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。特別的，在直流電機(jī)中有一個(gè)換向器設(shè)備，在轉(zhuǎn)子在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于電刷位置固定，即電流流向的方向，經(jīng)電刷處是固定的，而轉(zhuǎn)子的線圈旋轉(zhuǎn)過半時(shí)，繞線組的方向就會(huì)發(fā)生變化，如果電刷中的電流方向不變化，那么轉(zhuǎn)子此時(shí)產(chǎn)生的磁場與定子磁場的作用力，與上半圈電流流經(jīng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場與定子磁場的作用力正好相反，那么此時(shí)轉(zhuǎn)子就會(huì)向反方向提供作用力，電機(jī)將不會(huì)旋轉(zhuǎn)，所以換向器的作用就保證了流經(jīng)繞線組的電流產(chǎn)生的磁場與定子磁場之間的作用力始終是一致的，從而源源不斷的磁場作用力就能使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。最終形成的效果就是，如果提供的電源電流方向不變，轉(zhuǎn)子方向就不會(huì)發(fā)生變化，即電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變，改變電流方向，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化。

3.單片機(jī)控制直流電機(jī)

單片機(jī)控制直流電機(jī)，主要是采用PWM技術(shù)，對直流電機(jī)進(jìn)行控制。由于直流電機(jī)自身的特性，在不同電流流向的直流通過時(shí)以及在不同時(shí)間的磁場力作用下，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向都是不同的。PWM技術(shù)就是按照直流電機(jī)自身固有的特性，通過對控制信號(hào)的改變和調(diào)整，來實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的控制。

3.1 PWM技術(shù)

PWM技術(shù)的核心技術(shù)就是生成方波，然后調(diào)整其不同的占空比和方向來實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)控制電流的調(diào)整和改變。如圖1.所示，為PWM的脈沖信號(hào)示意圖。

由圖1可知，PWM脈沖信號(hào)是周期為T的信號(hào)，在一個(gè)完整周期內(nèi)，高電壓為t1，低電壓為t2，PWM脈沖信號(hào)就是重復(fù)周期T的信號(hào)對直流電機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)直流電機(jī)通過高電壓t1時(shí)，直流電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子產(chǎn)生相互作用的磁場力，直流電機(jī)工作，當(dāng)直流電機(jī)通過低電壓t2時(shí)，直流電機(jī)轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生磁場力，直流電機(jī)不工作。那么在一個(gè)完成的周期內(nèi)，如果能夠按照人們的意愿靈活地改變t1和t2的比例，即可實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)作用力時(shí)間的改變，從而改變直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。同樣的，如果改變PWM脈沖信號(hào)的直流控制信號(hào)方向，那么直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向就會(huì)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的控制。

PWM技術(shù)應(yīng)用在單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)方面應(yīng)用十分廣泛，由于PWM脈沖信號(hào)為方波，屬于數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)很容易通過專門的輸入輸出端口或者通過有序地控制二極管通連情況，來生成PWM脈沖信號(hào)。

3.2單片機(jī)控制直流電機(jī)框架

單片機(jī)控制直流電機(jī)的電路框架分為三部分，分別是人機(jī)交互接口的鍵盤控制電路，單片機(jī)核心控制電路，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和工作電路。其中，鍵盤控制電路提供了外部接口能夠方便使用者對單片機(jī)輸入控制信號(hào)，如開機(jī)、加速、減速、換向、關(guān)機(jī)等。單片機(jī)核心控制電路主要是讀取鍵盤區(qū)域的外部控制信號(hào)、處理內(nèi)部邏輯運(yùn)算、生成PWM脈沖信號(hào)等。直流電機(jī)控制電路主要是接受單片機(jī)輸出的PWM脈沖信號(hào)，并對其進(jìn)行電壓放大和功率放大的處理，使其能夠滿足直流電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)的功率需求。如圖2.所示，為單片機(jī)控制直流電機(jī)的電路框架結(jié)構(gòu)圖。

3.3單片機(jī)控制流程

當(dāng)外部用戶按下開機(jī)鍵時(shí)，單片機(jī)開始工作，數(shù)據(jù)初始化，電動(dòng)機(jī)控制芯片或者電路使能，數(shù)據(jù)初始化工作不僅包括單片機(jī)正常的數(shù)據(jù)初始化，還包括對內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)時(shí)器的設(shè)置、輸入輸出端口的設(shè)置等等。當(dāng)用戶按下加速按鈕，單片機(jī)產(chǎn)生默認(rèn)方向的PWM脈沖信號(hào)，占空比為相對較小的單位，此PWM脈沖信號(hào)輸出到直流電機(jī)控制電路，通過轉(zhuǎn)換進(jìn)行放大處理，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)工作。當(dāng)用戶繼續(xù)按下加速按鈕時(shí)，單片機(jī)讀取此信號(hào)，繼續(xù)改變PWM脈沖信號(hào)占空比，脈沖信號(hào)的高電壓比例增加，直流電機(jī)產(chǎn)生的磁場作用力時(shí)間變長，速度提升。當(dāng)用戶按下減速按鈕時(shí)，單片機(jī)接收到此信號(hào)，減小PWM脈沖信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)的占空比，直流電機(jī)受到的作用力時(shí)間減少，速度降低。當(dāng)用戶按下反向按鈕時(shí)，相反地，只需要改變PWM脈沖信號(hào)的方向即可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

改變PWM脈沖信號(hào)占空比的方法有很多，如果使用二極管產(chǎn)生脈沖信號(hào)，可以采用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式，對高電壓與低電壓的固定時(shí)間進(jìn)行定時(shí)即可。特別的，為了能夠減少直流電機(jī)的損耗，在對直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行控制時(shí)，一定要在相對低速的情況下改變方向，這樣對直流電機(jī)來能夠起到保護(hù)作用。

4.總結(jié)

單片機(jī)控制直流電機(jī)，主要是利用直流電機(jī)自身特性，通過生成PWM脈沖信號(hào)，改變其占空比與脈沖信號(hào)的方向，來對直流電機(jī)進(jìn)行控制，整個(gè)電路的框架從控制接口、到核心處理部分、到驅(qū)動(dòng)部分結(jié)束生成適合直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工作的合適的PWM信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的智能控制。

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