馬初勃

（廣東省粵東技師學(xué)院，廣東汕頭 515041）

0 前言

電動(dòng)機(jī)是機(jī)電設(shè)備的主要?jiǎng)恿?lái)源，幾乎滲透到生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域。電動(dòng)機(jī)按工作電壓分為直流電機(jī)和交流電機(jī)，直流電機(jī)由于調(diào)速性能優(yōu)越、技術(shù)成熟，廣泛應(yīng)用于調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)合。近些年來(lái)，交流變頻調(diào)速發(fā)展迅速，已部分取代了直流電機(jī)，但直流調(diào)速在某些領(lǐng)域（如電動(dòng)自行車(chē)、航模、消費(fèi)類(lèi)電器產(chǎn)品等）將長(zhǎng)期無(wú)法代替，且掌握直流電機(jī)調(diào)速有助于理解自動(dòng)控制原理。因此，在技工院校開(kāi)展直流電機(jī)調(diào)速的教學(xué)和應(yīng)用的實(shí)訓(xùn)意義重大。

筆者任職的學(xué)校，直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)裝置采用的是DSC32直流調(diào)速實(shí)訓(xùn)裝置。該裝置采用傳統(tǒng)的直流調(diào)速方法，用模擬電子電路構(gòu)成調(diào)節(jié)器，用測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)電機(jī)速度，通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通角來(lái)改變施加于電樞繞組的直流電壓，進(jìn)而改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速[1]。這種方式的控制電路復(fù)雜、元件多、成本高，容易受分立元件、調(diào)節(jié)器的誤差和溫漂、設(shè)定值和反饋環(huán)節(jié)的誤差和擾動(dòng)等因素的影響，不易實(shí)現(xiàn)高精度控制[2]。

當(dāng)今的機(jī)電設(shè)備正朝著數(shù)字化、集成化和智能化的方向發(fā)展，尤其在直流調(diào)速方面，目前高性能的調(diào)速系統(tǒng)均采用數(shù)字化控制。為此，筆者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于單片機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)設(shè)備，該設(shè)備作為傳統(tǒng)模擬式直流調(diào)速方式的補(bǔ)充，以數(shù)字控制的方式實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，采用單片機(jī)作為控制器實(shí)現(xiàn)PWM直流調(diào)壓，用編碼器作為測(cè)速反饋環(huán)節(jié)，控制電路簡(jiǎn)單，精確度、可靠性高。在此基礎(chǔ)上，本設(shè)備還增加了步進(jìn)電機(jī)控制功能，可作為步進(jìn)電機(jī)的控制器和驅(qū)動(dòng)器，比常規(guī)的“PLC+步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器”控制方式大幅節(jié)約成本，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便易攜，性?xún)r(jià)比高，還能與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)集散控制。

1 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 方案設(shè)計(jì)

作為教學(xué)用的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，在滿足教學(xué)使用的前提下可使設(shè)備盡量簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，因此被控對(duì)象選用低壓小功率的永磁有刷電機(jī)，無(wú)需勵(lì)磁。對(duì)于此類(lèi)電機(jī)的調(diào)速，只需要改變施加于電樞繞組的電壓有效值便能實(shí)現(xiàn)，電機(jī)工作電源由開(kāi)關(guān)電源提供。

根據(jù)PWM（脈沖寬度調(diào)制）原理，調(diào)節(jié)PWM占空比就能改變輸出電壓的有效值，從而電樞繞組的輸入電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。但單片機(jī)發(fā)出的PWM信號(hào)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，需要將信號(hào)放大，可用分立元器件構(gòu)成放大電路，也可用專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)芯片，將單片機(jī)送來(lái)的PWM信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，且能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向和檢測(cè)電機(jī)工作電流。為使設(shè)備盡量簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，采用后者。

控制系統(tǒng)的硬件方框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字化直流調(diào)速控制系統(tǒng)方框圖

1.2 硬件選擇

1.2.1 直流電機(jī)

本系統(tǒng)的用途是供學(xué)生學(xué)習(xí)電機(jī)的數(shù)字化調(diào)速和自動(dòng)控制，不需要驅(qū)動(dòng)大負(fù)載，為便于系統(tǒng)搭建和調(diào)試，選用24 V微型直流減速電機(jī)，空載轉(zhuǎn)速350 r/min，工作電流0.15 mA～2.4 A，自帶AB雙相增量式編碼器。

1.2.2 控制器

單片機(jī)是目前成本較低、使用較廣泛、通用性較強(qiáng)的控制芯片，本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制器。市面雖有電機(jī)控制專(zhuān)用的單片機(jī)（如EG89M52）,考慮到通用性和便于學(xué)生學(xué)習(xí)與實(shí)訓(xùn)，本系統(tǒng)采用目前廣泛應(yīng)用的STC單片機(jī)，該增強(qiáng)型的51系列單片機(jī)具有PWM和AD轉(zhuǎn)換功能，使控制電路更加簡(jiǎn)化。

1.2.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

采用L298N芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該芯片能驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)46 V以下的直流電機(jī)，輸出電流可達(dá)2.5 A，可接受單片機(jī)發(fā)來(lái)的PWM信號(hào)和轉(zhuǎn)向控制信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部的H橋開(kāi)關(guān)改變輸出電壓的有效值，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，還能提供電流檢測(cè)信號(hào)反饋至單片機(jī)。

1.2.4 輸入設(shè)備

本系統(tǒng)設(shè)置以下功能按鍵和開(kāi)關(guān)：停止按鍵STOP、正轉(zhuǎn)按鍵FWD、反轉(zhuǎn)按鍵REV、加速按鍵+、減速按鍵-，共5個(gè)按鍵，其中加減速鍵是多功能按鍵，比如顯示上下翻頁(yè)；另有2個(gè)開(kāi)關(guān)，一個(gè)為開(kāi)閉環(huán)模式選擇開(kāi)關(guān)（OFF為開(kāi)環(huán)、ON為閉環(huán)），一個(gè)為單閉環(huán)/雙閉環(huán)選擇（OFF為單閉環(huán)、ON為雙閉環(huán)）。

1.2.5 顯示設(shè)備

本系統(tǒng)需顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速、實(shí)際轉(zhuǎn)速、正（反）轉(zhuǎn)、控制模式、電流等，因顯示內(nèi)容較多，采用128*64的串口液晶屏。

1.2.6 電源

本設(shè)備控制電路所需電源為5 V，電機(jī)額定電壓為24 V，因此選用帶5 V、24 V兩路輸出的開(kāi)關(guān)電源，CH1為5V/5A，CH2位24V/2A，額定功率73 W，帶短路、過(guò)載、過(guò)壓保護(hù)。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 程序框架

本系統(tǒng)用單片機(jī)作為控制器，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)沒(méi)有抑制能力，往往不能滿足實(shí)際需要，想要獲得高調(diào)速性能，必須引入反饋。

在調(diào)節(jié)器的性能方面，比例控制雖響應(yīng)速度快，但有靜差；積分控制雖能消除靜差，但調(diào)節(jié)過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中可把這兩種控制作用結(jié)合起來(lái)，形成比例積分（即PI）控制，可使系統(tǒng)響應(yīng)快速、穩(wěn)態(tài)精度高，PI調(diào)節(jié)器能滿足大多數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求。

在教學(xué)中，可以根據(jù)課時(shí)量多少和學(xué)生的層次由淺入深的練習(xí)開(kāi)環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)控制模式，調(diào)節(jié)器的類(lèi)型可靈活選擇并由單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。

在程序編制時(shí)，采用模塊化思想，各個(gè)功能模塊逐一實(shí)現(xiàn)，盡量做到“高內(nèi)聚、低耦合”。對(duì)本系統(tǒng)而言，將軟件分為如下幾個(gè)模塊，如表1所示。

表1 模塊分類(lèi)及功能說(shuō)明

采用模塊化，可以將任務(wù)分解，有助于學(xué)生相對(duì)獨(dú)立地學(xué)習(xí)單片機(jī)的各個(gè)功能模塊，比如定時(shí)器、中斷系統(tǒng)、AD模塊、PWM模塊等，可以更好地學(xué)習(xí)單片機(jī)、也便于設(shè)備的調(diào)試。下面重點(diǎn)介紹測(cè)速模塊。

1.3.2 測(cè)速方法

數(shù)字測(cè)速方法有M、T、M/T三種。M法的分辨率與實(shí)際轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，而轉(zhuǎn)速越高誤差率越??；T法在低轉(zhuǎn)速時(shí)具有較強(qiáng)的分辨率和較小的誤差；M/T法兼有M法和T法的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論在高速還是低速都具有較高的分辨能力和檢測(cè)精度，但會(huì)占用單片機(jī)較多資源[2]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為全范圍調(diào)速，即調(diào)速范圍為0～350 r/min，因轉(zhuǎn)速較低，采用T法測(cè)速能獲得較強(qiáng)的分辨率和較小的誤差。T法測(cè)速是通過(guò)累計(jì)在旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的相鄰兩個(gè)脈沖的同樣變化沿之間的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)，從而算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。

在硬件設(shè)計(jì)方面，將編碼器的A/B兩相中的一相接到單片機(jī)的外部中斷口/PCA口，另外一相接到計(jì)數(shù)口，配合定時(shí)器可實(shí)現(xiàn)速度檢測(cè)、方向鑒定。在軟件設(shè)計(jì)方面，有較大的靈活性，可提供幾種不同的思路和方法，供學(xué)生學(xué)習(xí)編程，并比較，從而得出最佳的測(cè)速方案?；舅悸房梢杂校海?）利用PCA模塊的捕捉功能，直接獲取兩個(gè)相鄰上升沿或下降沿的時(shí)間間隔，同時(shí)根據(jù)另外一相的電平情況鑒別方向；（2）利用外部中斷功能，配合一個(gè)自由運(yùn)行的時(shí)間計(jì)數(shù)器，計(jì)算每?jī)蓚€(gè)相鄰上升沿或下降沿的時(shí)間時(shí)間（相對(duì)于PCA功能，精度較差），同樣根據(jù)另外一相的電平情況鑒別方向；（3）利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)功能，累計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)速度檢測(cè)，方向判別和前面兩種方法類(lèi)似。

提出不同思路的主要目的，是幫助引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)拓思維，不要受限于某一種方法，引導(dǎo)他們?nèi)ニ伎?、嘗試。在保證人身安全的前提下，所開(kāi)發(fā)的設(shè)備是開(kāi)放性的、開(kāi)源性的。

1.4 調(diào)速性能驗(yàn)證

通過(guò)控制模式按鍵的選擇，本系統(tǒng)可以工作在開(kāi)環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)3種控制模式下，能讓學(xué)生由淺入深地學(xué)習(xí)電機(jī)自動(dòng)控制，驗(yàn)證閉環(huán)控制的效果。

在閉環(huán)模式下，可人為的加入擾動(dòng)量驗(yàn)證自動(dòng)控制的效果。因本系統(tǒng)的給定速度信號(hào)是在程序中設(shè)定一個(gè)初始值，不存在輸入偏差。除此之外，電機(jī)控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的擾動(dòng)量有電源電壓波動(dòng)和負(fù)載波動(dòng)，可用以下方法簡(jiǎn)單模擬擾動(dòng)。

電源電壓波動(dòng)：在驅(qū)動(dòng)芯片的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源輸入端Vs前旁路一個(gè)分壓電阻（如圖1所示），電阻可用開(kāi)關(guān)短接；常態(tài)下開(kāi)關(guān)閉合，電阻被短接，電機(jī)全壓運(yùn)行；當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電阻接入電路分壓，電機(jī)的電樞電壓降低。

負(fù)載波動(dòng)：給電機(jī)的輸出軸裝上一個(gè)帶O型膠圈的飛輪，常態(tài)下電機(jī)不帶負(fù)載；當(dāng)需要帶負(fù)載時(shí)，用離合裝置使一小風(fēng)扇的轉(zhuǎn)軸緊壓O型膠圈，小風(fēng)扇將被O型膠圈的摩擦力帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，模擬帶負(fù)載運(yùn)行。

通過(guò)驗(yàn)證，開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)，電樞電壓降低和帶負(fù)載都會(huì)使電機(jī)轉(zhuǎn)速下降；而閉環(huán)運(yùn)行時(shí)，在這兩個(gè)擾動(dòng)的影響下，轉(zhuǎn)速基本不變。

2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)可以通過(guò)控制脈沖的個(gè)數(shù)和頻率來(lái)控制角位移量、轉(zhuǎn)速和加速度，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于需要定位和調(diào)速的機(jī)電設(shè)備。目前在技工學(xué)校教學(xué)中，步進(jìn)電機(jī)多用PLC控制，控制器和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器成本較高，實(shí)訓(xùn)設(shè)備較大，且多數(shù)側(cè)重步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的原理尤其是如何實(shí)現(xiàn)細(xì)分的原理涉獵較少，不利于學(xué)生透徹理解步進(jìn)電機(jī)。

本設(shè)備采用廉價(jià)的單片機(jī)作為控制器，采用分立驅(qū)動(dòng)芯片作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，大大降低了教學(xué)步進(jìn)電機(jī)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的成本，而且有助于學(xué)生深入理解步進(jìn)電機(jī)的原理的驅(qū)動(dòng)方式。

2.1 設(shè)計(jì)方案

要使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，可由單片機(jī)發(fā)出環(huán)形分配脈沖，經(jīng)信號(hào)放大后直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，但此法控制程序復(fù)雜，占用單片機(jī)資源較多，放大電路元件較多，且難以實(shí)現(xiàn)細(xì)分控制功能。因此，采用單片機(jī)加步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的方案。

為驗(yàn)證步進(jìn)電機(jī)的控制效果，需要設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)加以體現(xiàn)，即需讓電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)某種功能。本系統(tǒng)的負(fù)載為可360h旋轉(zhuǎn)的指針，因指針為輕負(fù)載，可簡(jiǎn)單采用皮帶傳動(dòng)。在步進(jìn)電機(jī)輸出軸和指針轉(zhuǎn)軸都安裝上皮帶輪，用皮帶連接兩個(gè)皮帶輪，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)按鍵設(shè)置，可控制指針轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)、角度和速度，還可以做成一個(gè)秒表。

2.2 硬件選擇

2.2.1 控制器、輸入輸出設(shè)備

控制器、輸入輸出設(shè)備分別與直流調(diào)速系統(tǒng)共用單片機(jī)、按鍵和液晶屏，做不同項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)時(shí)，用杜邦線將單片機(jī)I/O口分別連接到按鍵和液晶屏的不同插針。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有8個(gè)輸入信號(hào)：?jiǎn)?dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、角度、細(xì)分（用一個(gè)按鍵切換），6個(gè)輸出顯示信號(hào)：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速、圈數(shù)、角度、細(xì)分級(jí)別。

2.2.2 驅(qū)動(dòng)電路

采用前述的L298N可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)二相步進(jìn)電機(jī)，但無(wú)細(xì)分功能，導(dǎo)致低速運(yùn)行時(shí)震動(dòng)噪音較大。所以本系統(tǒng)選用東芝TA8435H芯片驅(qū)動(dòng)，TA8435H芯片對(duì)單片機(jī)送來(lái)的單一脈沖信號(hào)進(jìn)行環(huán)形分配，并在芯片內(nèi)部提高驅(qū)動(dòng)能力，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。該模塊工作電壓范圍寬(10～40 V)；輸出電流大，可達(dá)1.5 A（平均）和2.5 A（峰值）；具有正/反轉(zhuǎn)控制功能和復(fù)位、使能功能，具有整步、半步、1/4細(xì)分、1/8細(xì)分運(yùn)行方式可供選擇，解決步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時(shí)振動(dòng)大、噪聲大的問(wèn)題[6]。

2.2.3 步進(jìn)電機(jī)

本設(shè)備對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度和帶負(fù)載能力要求不高，考慮到電源提供的電壓為24 V，可選擇常見(jiàn)的小型步進(jìn)電機(jī)：二相四線，驅(qū)動(dòng)電壓24 V，步距角1.8h，相最大電流1.5 A。

硬件方框圖如圖2所示。

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件方框圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件方面的設(shè)計(jì)可參照上述的直流調(diào)速系統(tǒng)，但因不需要電流反饋和PI調(diào)節(jié)，程序較之直流調(diào)速的簡(jiǎn)單，限于篇幅，此處不再贅述。

3 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的設(shè)備為直流調(diào)速、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)提供了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉、精確度高的數(shù)字化控制方式，該設(shè)備可以作為學(xué)習(xí)直流調(diào)速、自動(dòng)控制、步進(jìn)電機(jī)原理及應(yīng)用、單片機(jī)等課程的演示教儀和實(shí)訓(xùn)設(shè)備，也可作為相關(guān)課程的課程設(shè)計(jì)課題。通過(guò)設(shè)計(jì)和制作該設(shè)備，為今后進(jìn)一步開(kāi)展無(wú)刷電機(jī)、新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)等課題的研究打下了基礎(chǔ)。

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