楊艷霞

（西安工商學(xué)院，陜西西安，710200）

0 引言

現(xiàn)在電氣傳動的主要方向之一是電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微處理器實現(xiàn)數(shù)字化控制，近年來，隨著科技的進(jìn)步，直流電機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，直流具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣，過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，并且隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各個行業(yè)對直流電機(jī)的需求愈益增大，也對其性能提出了更高的要求。為此，研究并制造高性能、高可靠性的直流電機(jī)控制系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

(1)主控芯片采用89C52單片機(jī)。

(2)電機(jī)驅(qū)動模塊。

電機(jī)驅(qū)動設(shè)計基于H橋驅(qū)動器，四個開關(guān)位于“橋臂”位置。由三極管和MOS管作為電子開關(guān)，可以通過按鍵控制電流流過不同方向的兩個三極管，從而使直流電動機(jī)可以實現(xiàn)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

(3)顯示模塊選用LCD1602，實時顯示直流電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速及當(dāng)前占空比。

(4)速度檢測模塊。

在現(xiàn)在的科學(xué)研究環(huán)境下可以尋找到許多有效的能測出轉(zhuǎn)速的辦法。根據(jù)脈沖計數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量的辦法主要有M法（測量頻率法）、T法（測量周期法）和MPT法（頻率周期法），因為轉(zhuǎn)速是以單位頻率時間內(nèi)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進(jìn)行測量的，所以在轉(zhuǎn)換過程中能夠有規(guī)律地依照霍爾效應(yīng)，將擁有永久磁性的磁鋼固定在電機(jī)軸的轉(zhuǎn)盤邊緣，讓電機(jī)轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，磁鋼也隨著它們同時高速旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤下安裝霍爾裝置。當(dāng)轉(zhuǎn)盤沿軸線方向旋轉(zhuǎn)時，會受到由于磁鐵振蕩而產(chǎn)生的電磁場影響，可以通過脈沖信號出現(xiàn)的周期從而能夠計算出電動機(jī)的速度，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速測量公式如下所示：

在式子中：n表示電機(jī)轉(zhuǎn)速；P表示電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)；T表示輸出方波。根據(jù)公式即可計算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速[1]。

2 系統(tǒng)硬件部分

■2.1 最小系統(tǒng)電路

選擇STC/AT89C52單片機(jī)作為該處理模塊的核心，它具有良好的性能，在整個數(shù)據(jù)處理計算和運算能力方面表現(xiàn)非常的穩(wěn)定，有著很高的執(zhí)行速度。單片機(jī)、晶體振蕩器電路和復(fù)位電路共同構(gòu)成了該處理器的最小核心系統(tǒng)。

■2.2 電機(jī)驅(qū)動電路

在H橋中通常會使用4個N型MOS，大多數(shù)人們不會使用兩個N型MOS晶體管和兩個P型晶體管的原因是：P型MOS晶體管難以實現(xiàn)耐高電壓和大電流，對于相同性能的MOS，N型比P型更加的便宜實惠。

對于N型MOS來說，如果外部給定的柵極源極Vgs電壓大于芯片的Vgs閾值（大部分在2V~10V之間）時，則漏極D和源極S之間直接相通。如果外部給定的Vgs電壓小于閾值，則在漏極D和源極S之間被截止。簡單地說，就是由柵極G電壓控制的一個開關(guān)。

系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動電路示意圖與原理圖如圖2、圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動原理圖

為了能夠使電動機(jī)正常的工作，必須做到使對角線上的一對MOS管同時導(dǎo)通。如圖2所示，當(dāng)D1管和D4管導(dǎo)通時（這時必須注意保持D2和D3不能導(dǎo)通），電流就從電源正極經(jīng)D1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)D4回到電源負(fù)極。這個方向流過的電流將使直流電機(jī)沿著順時針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)另一對MOS管D2和D3導(dǎo)通的時候（此時必須注意保證D1和D4不能導(dǎo)通），電流從右至左流過電機(jī)，此時，直流電機(jī)會沿著逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

圖2 H橋驅(qū)動電路示意圖

驅(qū)動電機(jī)時，非常重要的一點就是讓H橋同一側(cè)的兩個MOS管不會同時導(dǎo)通，如果同一側(cè)的MOS管，D1和D2同時導(dǎo)通，那么電流就會從電源正極穿過兩個MOS管直接回到負(fù)極，此時這個H橋電路中除了MOS管外沒有其它任何負(fù)載，所以整個H橋電路上的電流就會達(dá)到最大值，這個電流會使MOS管和電源都被燒壞。D3和D4同時導(dǎo)通也會出現(xiàn)這種情況，因此，需要仔細(xì)的設(shè)計這一塊的電路。

可以使用開關(guān)來控制電動機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，并通過引入PWM控制來實現(xiàn)速度的調(diào)整。從調(diào)節(jié)占空比可以達(dá)到控制速度的目的，占空比越大，電壓（電流）的大小和速度的大小越大。PWM頻率一般在10kHz~20kHz之間。如果頻率太低，則電動機(jī)速度會很慢，產(chǎn)生的噪音也會很大；如果頻率太高，則會因為MOS晶體管的開關(guān)損耗而降低系統(tǒng)效率。

■2.3 位置檢測電路

位置檢測電路通過檢測從直流電動機(jī)中霍爾傳感器產(chǎn)生的信號來實現(xiàn)檢測轉(zhuǎn)速的目的。

使用霍爾位置傳感器檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)盤上磁鋼的位置。當(dāng)磁鋼與霍爾元件相對位置發(fā)生變化時，通過霍爾元件感磁面的磁場強(qiáng)度就會發(fā)生變化。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，磁鋼靠近霍爾元件，穿過霍爾元件的磁場較強(qiáng)，霍爾元件輸出低電平；當(dāng)磁場減弱時，輸出高電平，從而使得在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動過程中，霍爾元件輸出連續(xù)脈沖信號。

圖4 位置檢測電路

■2.4 系統(tǒng)按鍵設(shè)置電路

按鍵電路的設(shè)計對于控制電機(jī)的啟動和停止以及調(diào)節(jié)速度非常有用，電機(jī)系統(tǒng)使用五個獨立的按鍵接口，不同的按鍵通過按鍵掃描和查詢方式的不同，產(chǎn)生出不同的效果，主要是通過調(diào)節(jié)PWM來控制電動機(jī)的速度。

■2.5 系統(tǒng)整體硬件圖

整體硬件電路圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)整體電路圖

3 主要軟件設(shè)計

直流電機(jī)的主程序控制主要由兩大部分共同組成：主程序、中斷服務(wù)程序，如圖6所示。主程序進(jìn)行整個系統(tǒng)的初始化，在系統(tǒng)上電時立即開始執(zhí)行，直到因為出現(xiàn)故障進(jìn)行復(fù)位時才被重新執(zhí)行；中斷服務(wù)程序包含整個控制系統(tǒng)算法，將在等待循環(huán)中被喚醒執(zhí)行。

圖6 控制系統(tǒng)軟件框圖

如圖7為PWM波生成流程圖，通過在51單片機(jī)上的軟件編程來實現(xiàn)PWM。在系統(tǒng)中，通過設(shè)置I/O輸出模式，獲得了驅(qū)動直流電機(jī)和操作直流電機(jī)運行速度快慢的PWM波。需要在單片機(jī)中預(yù)先設(shè)計程序，根據(jù)預(yù)設(shè)定的程序，通過調(diào)整高低電平在一個周期內(nèi)的比值，先產(chǎn)生占空比為50%（顯示屏上顯示為zhankongbi：50）的PWM波，之后定時檢測判斷是否發(fā)生按鍵中斷，若發(fā)生了按鍵中斷則進(jìn)行占空比更新，輸出新的PWM，最后再進(jìn)行循環(huán)檢測判斷；若沒有發(fā)生按鍵中斷則直接進(jìn)行循環(huán)判斷檢測。

圖7 PWM波生成流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

首先使用PROTEUS應(yīng)用仿真模擬軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了軟件仿真和調(diào)試。之后，通過軟件硬件聯(lián)合調(diào)試，當(dāng)按下啟動/停止按鈕后，電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，達(dá)到預(yù)先設(shè)定的占空比為50的速度；若要使電機(jī)正轉(zhuǎn)，按下正轉(zhuǎn)按鍵，可以觀察到電機(jī)已經(jīng)開始正向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)去按加速按鍵時，LCD屏幕上占空比的數(shù)值會加一，電機(jī)的速度會慢慢地增加；若長按加速鍵，占空比數(shù)值會連續(xù)增加，直到增加到最高值100，這時電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速；此時如果按減速鍵時，LCD屏幕上占空比的數(shù)值會減一，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速慢慢地減??；若長按減速鍵，占空比數(shù)值會連續(xù)減小，直到減小到最低值0，這時電機(jī)轉(zhuǎn)動停止。如果按反轉(zhuǎn)按鍵，電機(jī)反方向旋轉(zhuǎn)。最終實物如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)實物圖

5 結(jié)束語

實現(xiàn)了直流電動機(jī)的PWM控制，能夠完成加速、減速、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的控制功能，操作鍵盤控制操作加速、減速，正向旋轉(zhuǎn)、反向旋轉(zhuǎn)和開啟、停止控制功能。采用PWM的方法進(jìn)行調(diào)速控制過程的主要優(yōu)點就是它具備了比較多的靈活性以及花費比較少的成本，它能有效地發(fā)揮單片機(jī)自動化控制的優(yōu)點與效能，對于簡易速度管理控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)而言也就提供了比較有效的方法[2]。