王杰杰,龔光劍
(揚州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇揚州,225009)
隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,各個行業(yè)對直流電機的需求愈益增大,并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控制系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實意義。在現(xiàn)實的生活世界中,通常都是采用各種電機作為原生動力去拖動各種生產(chǎn)機械,如機床、鼓風(fēng)機、傳送帶等。隨著智能和自動化控制系統(tǒng)的飛速發(fā)展,對電機驅(qū)動的要求越來越高,對其精度和工作速度的要求也越來越高。電機一般需要達(dá)到快速起動、制動以及反轉(zhuǎn),在大范圍內(nèi)可以精準(zhǔn)調(diào)速等基本要求。要完成這些任務(wù),必須有智能控制設(shè)備來控制電機的運轉(zhuǎn)。
電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,微型計算機在信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。單片機在嵌入式系統(tǒng)和智能控制方面也漸漸占據(jù)主導(dǎo)位置,特別是在智能儀器儀表和智能化控制領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。與此同時,電機在日常工業(yè)生產(chǎn)和生活中也越來越普遍,其中以直流電機最具有代表性,其擁有非一般的穩(wěn)定性和可控性。計算機技術(shù)和單片機技術(shù)的快速發(fā)展,將直流電機在控制方向的發(fā)展提升到了新的高度。但是,其調(diào)速問題仍然具有一定的研究價值。一般情況下,DCS、PLC 等計算機控制的自動調(diào)速系統(tǒng)受到青睞。但其成本卻較高,硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,系統(tǒng)運行起來還不是很靈活,系統(tǒng)調(diào)試起來也相當(dāng)繁瑣,能量損耗巨大,這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)阻礙了直流電機控制技術(shù)的傳播和推廣。為此,有人便提出了采用單片機來實現(xiàn)直流電機的調(diào)速控制,以便將其結(jié)構(gòu)趨于簡單化,降低其成本以節(jié)約資金,從系統(tǒng)方面更加凸顯智能化,提高系統(tǒng)本身的優(yōu)越性和科學(xué)性。
伴隨著數(shù)字集成電路、半導(dǎo)體器件、高精度集成芯片的發(fā)展,逐漸豐富了調(diào)速控制設(shè)計方法,眾所周知,直流電機具備較好的啟動、制動、調(diào)速等性能,目前在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展,脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)已逐漸成為直流電機主流的調(diào)速方式,因其優(yōu)點突出,調(diào)速方式可靠、穩(wěn)定、實用,故被廣泛應(yīng)用于直流電機的調(diào)速系統(tǒng)中,可以實現(xiàn)對電機的精準(zhǔn)調(diào)速。
該電機調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)電機啟停、加減速、正反轉(zhuǎn)功能。主要由主控芯片、顯示模塊、調(diào)速模塊、測速模塊等相關(guān)模塊構(gòu)成。
硬件電路部分主要采用STC89C52 單片機[1]和霍爾傳感器等模塊組成。軟件方面的設(shè)計主要由可以實現(xiàn)電機調(diào)速、測速的C 語言所編寫的程序構(gòu)成。按下自鎖開關(guān),電路上電。當(dāng)按下啟動按鈕時,單片機接收信號,通過驅(qū)動H 橋電路模塊,來控制直流電機的運轉(zhuǎn),此時占空比為50%,電機運轉(zhuǎn)正常,霍爾傳感器測出電機轉(zhuǎn)速,再將電機轉(zhuǎn)速實時傳送到LCD 并顯示。調(diào)節(jié)加速按鍵,增加占空比,電機加速,通過LCD 可以實時顯示,電機轉(zhuǎn)速增大;反之,若調(diào)節(jié)減速按鈕,則占空比減小,電機減速,實時轉(zhuǎn)速減小。同理,若按下反轉(zhuǎn)按鈕,則直流電機由正轉(zhuǎn)切換成反轉(zhuǎn),加減速同正轉(zhuǎn)一致。若按下復(fù)位按鈕,則電路恢復(fù)原狀態(tài),占空比恢復(fù)最初值50%,轉(zhuǎn)速為0r/min。亦可在按下啟動按鈕前,預(yù)先設(shè)置好占空比。
直流電機調(diào)速系統(tǒng)總體方案框圖如圖1 所示。
圖1 系統(tǒng)總體方案框圖
1.2.1 主控芯片的選擇
STC89C52 性價比高、易于開發(fā),支持多種應(yīng)用場景??紤]到STC89C52 廣泛的應(yīng)用,大范圍的高穩(wěn)定性,長時間的反復(fù)燒寫壽命。根據(jù)系統(tǒng)需要選STC89C52 作為主控制芯片。
1.2.2 顯示模塊的選擇
LCD1602 顯示模塊是一種字符型液晶模塊,也是一種點陣型液晶模塊[2]。它最多可以在同一時間顯示32 個字符。LCD1602 可以顯示簡單的阿拉伯?dāng)?shù)字,也可以顯示符號、字母。其由數(shù)個點陣字符位構(gòu)成,需顯示的字符與點陣字符位一一對應(yīng),且每位每行之間都存有間隙。LCD1602 價格低廉,且顯示簡潔清晰,體積小而輕便,便于攜帶學(xué)習(xí),所以選LCD1602 作為顯示模塊。
1.2.3 調(diào)速控制模塊的選擇
本文采用由三極管組成的H 型PWM 電路。PWM 調(diào)制技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,可以實現(xiàn)高效節(jié)能,精確控制電機轉(zhuǎn)速,提高機器的可靠性和運行穩(wěn)定性。在家用電器中,PWM 調(diào)制技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用,如空調(diào)、風(fēng)扇、電動工具等,可以實現(xiàn)電能的更加高效利用。
1.2.4 測速傳感器的選擇
眾所周知,霍爾傳感器受環(huán)境因素影響較小,且更具有實用性。霍爾傳感器測速元件是基于霍爾效應(yīng)而制成的一種傳感器。本文所選用的A3144E 霍爾測速元件具備體積較小、靈敏度高、精確度高等優(yōu)良性能。
硬件電路包括:STC89C52 單片機最小系統(tǒng)模塊、按鍵模塊、H 橋驅(qū)動電路模塊、霍爾傳感器模塊、LCD1602顯示模塊。下面給出了各個模塊的功能特性以及硬件原理圖說明。
STC89C52 單片機是一款成熟穩(wěn)定、功能豐富的8 位單片機芯片。STC89C52 單片機具有高速、可擴(kuò)展性強、易于學(xué)習(xí)等優(yōu)點,是廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信設(shè)備等領(lǐng)域的理想選擇。STC89C52 單片機的各項特性如下:
(1)CPU 架構(gòu):STC89C52 采用了Harvard 結(jié)構(gòu),在指令和數(shù)據(jù)總線上采用分離存儲器構(gòu)造,可以實現(xiàn)并行處理指令和數(shù)據(jù),提高了單片機的執(zhí)行效率。
(2)工作電壓:STC89C52 工作電壓為5V。
(3)總線速度:STC89C52 最大總線速度支持33MHz。
(4)存儲器:STC89C52 具有8KB 的閃存存儲器和256B的數(shù)據(jù)存儲器。其中,閃存存儲器可以進(jìn)行擦寫和編程,用于存儲程序代碼、數(shù)據(jù)、變量等信息;數(shù)據(jù)存儲器可以存儲中間結(jié)果、臨時變量等數(shù)據(jù)。
(5)外設(shè):STC89C52 具有20 個數(shù)字I/O 口、3 個計時器/計數(shù)器、一個串行通信接口等外設(shè)。其中,數(shù)字I/O口可以通過編程實現(xiàn)輸入輸出功能;計時器/計數(shù)器可以實現(xiàn)計時、計數(shù)、PWM 等功能;串行通信接口可以與其他設(shè)備進(jìn)行串行通信。
(6)中斷:STC89C52 有5 個可編程中斷源,包括EXT、EXT1、TIMER、TIMER1 和TIMER2。中斷可以提高單片機的執(zhí)行效率,使單片機可以異步響應(yīng)外界事件。
(7)電源管理:STC89C52 采用了低功耗設(shè)計,支持多種節(jié)能模式。同時,STC89C52 還具有自動切換電源、保護(hù)逆變器等保護(hù)功能。
(8)兼容性:STC89C52 可以使用STC-ISP 下載器進(jìn)行程序下載、擦寫等操作,同時還支持KEIL、IAR 等多個開發(fā)環(huán)境,方便開發(fā)者進(jìn)行編程和調(diào)試。
單片機最小系統(tǒng),或稱最小應(yīng)用系統(tǒng),一般指用最少的元器件組成的以單片機為核心的工作系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由STC89C52 單片機核心芯片、晶振電路、復(fù)位電路組成[3]。STC89C52 單片機最小系統(tǒng)如圖2 所示。
圖2 STC89C52 單片機最小系統(tǒng)原理圖
2.2.1 PWM 調(diào)制的基本原理
本文采用PWM(Pulse Width Modulation)調(diào)制技術(shù)進(jìn)行調(diào)速。PWM 調(diào)速技術(shù)的原理是通過開關(guān)器件(如晶閘管、MOS 管等)控制輸出電壓的占空比,從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。在PWM 信號周期內(nèi),將電源電壓分成若干個等分的區(qū)間,開關(guān)器件接通時,輸出電壓等于電源電壓,關(guān)斷時輸出電壓等于零。在每個周期中,開關(guān)器件的狀態(tài)變化次數(shù)稱為調(diào)制頻率,占空比則是開關(guān)器件通斷時間比例。使電路中的三極管受控于單片機,可以實現(xiàn)對其占空比的狀態(tài)進(jìn)行控制,從而可靠地調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。如圖3 所示。
圖3 PWM 控制示意圖
電機兩端可得到如圖4 所示的波形。電壓平均值為:
圖4 PWM 控制產(chǎn)生的波形圖
式中:ton—開關(guān)接通時間;T—開關(guān)通斷周期;?—占空比,
由上式可見:通過改變開關(guān)接通時間ton和開關(guān)通斷周期T 之間的比值,使占空比發(fā)生改變。產(chǎn)生的波形如圖4所示。
2.2.2 電機驅(qū)動電路的原理與分析
PWM 驅(qū)動電路模塊是由4 個三極管組成,稱之為“H 橋”驅(qū)動電路。電路中三極管的開關(guān)狀態(tài)受控于單片機,其占空比是可調(diào)的,從而直流電機轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)[4]。電機驅(qū)動電路如圖5 所示。
圖5 電機驅(qū)動電路
2.2.3 H 橋驅(qū)動電路的設(shè)計方案
H 橋式驅(qū)動電路主要由二極管、三極管、直流電機組成,如圖6 所示,為了調(diào)節(jié)電機的運轉(zhuǎn)方向,只能給對角線上的一對三極管通電。這樣,因不同三極管對通電的方式不同,流過電機的電流方向就不同,從而電機的轉(zhuǎn)動方向得到改變。其中,NPN 型的三極管(Q1、Q2、Q3、Q6)輸入高電平時導(dǎo)通,PNP 型的三極管(Q4、Q5)輸入低電平時導(dǎo)通。
圖6 H 橋驅(qū)動電路模塊原理圖
PWM 電機驅(qū)動電路的兩個輸入端分別接單片機的P34和P37,通過單片機產(chǎn)生的高低電平來控制晶體管的導(dǎo)通或截止。當(dāng)Q1 和Q2 都導(dǎo)通或截止時,電機兩端都接GND或Vcc,兩端不能形成電壓降,所以電機不工作。那么,只有當(dāng)Q1 和Q2 處于不同的狀態(tài)時,才能使電機正常工作,實現(xiàn)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)功能。
2.3.1 霍爾傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
霍爾傳感器元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較簡單,但是它能夠?qū)崿F(xiàn)精確、無接觸、高清晰度的測量。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7 所示。
圖7 霍爾元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2.3.2 霍爾元件模塊原理圖
霍爾傳感器有三個引腳,在具體電路中,1 號引腳接Vcc,2 號引腳接GND,3號引腳接單片機P3.3口,即 口。如圖8 所示。
圖8 霍爾測速模塊
2.3.3 霍爾傳感器測量原理
對于電機轉(zhuǎn)速的測定,我們采用霍爾傳感器測速的方式進(jìn)行測量?;魻杺鞲衅魇且环N基于霍爾效應(yīng)的傳感器,可以用來測量磁場強度、磁場方向、電流、電壓等物理量。我們可以通過計數(shù)單位時間內(nèi)的脈沖數(shù),實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的換算。其基本的測量原理如圖9 所示。
圖9 霍爾器件測速原理
LCD1602 模塊的原理圖如圖10 所示,引腳說明如表1所示。
表1 LCD1602引腳說明
圖10 LCD1602 模塊原理圖
直流電機調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為三個部分:按鍵處理程序、定時中斷程序和PWM 信號產(chǎn)生模塊程序。
單片機控制電機的過程涉及硬件接口的配置、按鍵程序的設(shè)計、PWM 信號的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)等多個方面[5]。系統(tǒng)主程序流程圖如圖11 所示。
圖11 系統(tǒng)主程序流程圖
首先,進(jìn)行的是數(shù)據(jù)初始化,然后判斷是否按鍵按下,通過檢測按鍵是否按下的情況,來反映電機參數(shù)的變化。按鍵程序流程圖如圖12 所示。
圖12 按鍵程序流程圖
PWM 信號產(chǎn)生的方式是通過控制按鍵電路來調(diào)節(jié)占空比。脈寬調(diào)制流程圖如圖13 所示。
圖13 脈寬調(diào)制流程圖
LCD1602 液晶顯示屏可以實時顯示占空比、電機轉(zhuǎn)速兩個重要參數(shù)。LCD1602 顯示程序流程圖如圖14 所示。
圖14 LCD1602 顯示程序流程圖
實驗?zāi)康模和ㄟ^按鍵,可以調(diào)節(jié)電機的啟停、加減速、正反轉(zhuǎn)。
霍爾測速:可以實現(xiàn)在電機運轉(zhuǎn)的情況下測出電機實時轉(zhuǎn)速。
顯示:可以顯示出電機的轉(zhuǎn)速及占空比。
運行結(jié)果如下所示:
(1)當(dāng)接上電源后,打開總開關(guān)后,LCD 工作正常,顯示最初占空比為50%。實物圖如圖15 所示。
圖15 初始狀態(tài)圖
(2)當(dāng)按下啟停按鍵后,電機開始運轉(zhuǎn),LCD 顯示對應(yīng)的占空比和轉(zhuǎn)速。實物圖如圖16 所示。
圖16 電機運轉(zhuǎn)圖
(3)當(dāng)增大占空比時,電機加速。實物圖如圖17 所示。
圖17 電機加速運轉(zhuǎn)圖
(4)當(dāng)降低占空比時,電機減速。實物圖如圖18 所示。
本文介紹了基于STC89C52 單片機的微控制器,采用PWM 技術(shù)對直流電機進(jìn)行調(diào)速,以霍爾傳感器為測速元件的直流電機調(diào)速系統(tǒng)。在現(xiàn)實生活和工業(yè)生產(chǎn)中,電機無處不在,正常情況下電機應(yīng)具備正、反轉(zhuǎn),加、減速等功能,于是用PWM 的方法實現(xiàn)調(diào)速。因51 系列單片機內(nèi)部是不能直接輸出PWM 信號,于是,我們使用定時器中斷的方式,采用編程的方法,用程序來實現(xiàn)PWM 信號的輸出。對精度要求不是很高的情況下而言,簡單方便,而且正、反轉(zhuǎn)的功能是通過H 橋電路電流方向的變化來實現(xiàn)的。利用這種方法實現(xiàn)地電路比較簡單,且系統(tǒng)運行穩(wěn)定。