唐 娣

珠海市技師學(xué)院,廣東 珠海 519000

0 引言

隨著相關(guān)研究的發(fā)展和技術(shù)的改進,基于單片機的直流電機脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制系統(tǒng)的算法和軟件已在不斷完善,控制速度和應(yīng)用性能都有所優(yōu)化。目前,直流電機PWM控制系統(tǒng)數(shù)字化、智能化、自動化是發(fā)展趨勢。因此,本文探究基于單片機的直流電機PWM控制系統(tǒng)改進策略,通過改善不足來促進直流電機的發(fā)展。

1 直流電機PWM控制系統(tǒng)

由系統(tǒng)中的輸入模塊輸出指令(啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速等),由單片機產(chǎn)生信號,傳輸至直流電機,直流電機的電路測試數(shù)據(jù)實時傳回信號給單片機,在顯示模塊上顯示轉(zhuǎn)速,達到對相關(guān)設(shè)備的控制與管理的目的[1]。

直流電機被應(yīng)用于交通、化工、機械等領(lǐng)域中,目前,單片機成為直流電機調(diào)速中的重要組成部分,在直流電機的調(diào)速系統(tǒng)內(nèi),單片機體積較小、功能較全,同時具有較強的經(jīng)濟性和靈活性,凡是需要電能轉(zhuǎn)化為機械能的各類設(shè)備中大部分都會應(yīng)用到單片機的直流電機,與傳統(tǒng)的直流電機調(diào)速系統(tǒng)相比,其可以提升轉(zhuǎn)速從而提高相關(guān)機械產(chǎn)品的質(zhì)量與運作效率,也能達到節(jié)省電能的目的。因此,單片機的直流電機調(diào)速一直是相關(guān)學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。

PWM控制系統(tǒng)在基于單片機的直流電機內(nèi)所需的功率元件較少,具有較強的經(jīng)濟性和可操作性,在工業(yè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。同時PWM控制系統(tǒng)是解決機械與電磁噪聲的良好途徑,可對電機啟動、變速調(diào)整、傳遞控制、電機停止進行設(shè)定并顯示直流電機的運行狀態(tài),便于對相關(guān)機械的運作進行管理。

2 直流電機PWM控制系統(tǒng)的硬件電路改進措施

直流電機雖然具備較強的提升性能和調(diào)速性能,但由于直流電機調(diào)速范圍廣,過載和抗沖擊負載能力較強,導(dǎo)致很難頻繁地?zé)o極快速啟動,并實現(xiàn)加減速度和正反轉(zhuǎn)。

在傳統(tǒng)單片機直流電機PWM控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計中,主要以改變電樞回路電阻調(diào)速、電壓調(diào)速等技術(shù)為主,通過采用恒定的直流電機,向直流電機進行供電,以改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速的目的,該方式雖然簡單方便,但整體效率較低,不能在較寬范圍內(nèi)進行平滑調(diào)速。再加上傳統(tǒng)的感應(yīng)裝置與新型感應(yīng)裝置有著較大的精度差異,很難有效保障技術(shù)設(shè)備的穩(wěn)定性。所以在改進過程中針對單片機的直流電機PWM控制系統(tǒng)的硬件電路進行分析。

改進后,硬件電路架構(gòu)由主控模塊作為系統(tǒng)的主控CPU,有供電系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、液晶顯示模塊、按鍵控制模塊,硬件電路。當(dāng)相關(guān)系統(tǒng)在運作時由CPU負責(zé)整個系統(tǒng)的運作管理;供電系統(tǒng)為整個系統(tǒng)的運作提供電能;傳感器系統(tǒng)監(jiān)測直流電機的速度,并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給液晶顯示模塊;液晶顯示模塊顯示整個系統(tǒng)的運作情況;按鍵模塊則是傳遞指令的系統(tǒng)。而在傳統(tǒng)硬件電路構(gòu)造的過程中主要以模擬電路為主,與改進后的數(shù)字化硬件電路相比有較大的精度誤差,對單片機的直流電機PWM控制系統(tǒng)硬件進行改進(見圖1),可以有效縮短誤差,提高轉(zhuǎn)速質(zhì)量和效率。

圖1 硬件電路總體設(shè)計

2.1 主控模塊

結(jié)合實踐發(fā)現(xiàn),基于單片機的直流電機PWM控制系統(tǒng)在運作時會出現(xiàn)突然死機或操作不當(dāng)?shù)膯栴},為避免這一問題的發(fā)生,在設(shè)計主控模塊時應(yīng)在其中設(shè)計復(fù)位電路,保障單片機和整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。同時復(fù)位電路還可應(yīng)對單片機在運作期間的強磁場或其他干擾環(huán)境,使CPU和其他硬件系統(tǒng)能夠及時地恢復(fù)到初始狀態(tài)。在硬件系統(tǒng)中可設(shè)計手動復(fù)位或自動復(fù)位電路,從CPU上對整個系統(tǒng)的運算和控制進行管理。另外,CPU上設(shè)置振動電路與特殊功能存儲器,采用并行數(shù)據(jù)存儲器、串行程序存儲器和中斷系統(tǒng)定時器。

2.2 PWM信號發(fā)生電路

脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù),廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中,尤其是用于各類型電機的調(diào)壓、調(diào)頻。電動機PWM驅(qū)動模塊的電路采用H橋式驅(qū)動電路,由復(fù)合體管組成(包含4個三極管和1個電機)。PWM控制三極管的導(dǎo)通截止就可以控制電機的轉(zhuǎn)速,而不同的三極管對的導(dǎo)通與截止,使得流過電機上的電流方向發(fā)生改變,從而改變電機的轉(zhuǎn)動方向。

2.3 顯示模塊

顯示模塊采用LCD1602液晶顯示,可以改進顯示行數(shù)和字符的數(shù)量。設(shè)置2行顯示行數(shù),第1行顯示PWM控制系統(tǒng)的速度設(shè)置參數(shù),第2行顯示占空比設(shè)置參數(shù),整個顯示模塊的改進應(yīng)重視操作人員的應(yīng)用便捷性和可視性,盡最大可能將整個系統(tǒng)的運作情況呈現(xiàn)在顯示系統(tǒng)上,并保障操作人員更好地了解系統(tǒng)運作狀態(tài)[2]。

2.4 按鍵模塊

在單片機的直流電機PWM控制系統(tǒng)中設(shè)置一些機械按鈕操作系統(tǒng)是必然的,為了對整個硬件電路系統(tǒng)進行有效改進,在整個系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置6個獨立按鈕,分別連接單片機的引腳,左側(cè)連接引腳,右側(cè)連接到地。通過鍵盤掃描功能監(jiān)測到MCU,當(dāng)操作人員按下按鍵時,處理程序?qū)纹瑱C進行控制并發(fā)送設(shè)置、增速、減速,正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn),啟動等指令,根據(jù)系統(tǒng)的實際需求,操作人員對按鍵模塊進行操作,整個按鍵模塊中的各按鍵操作系統(tǒng)按照6個按鍵獨立且相互聯(lián)系的形態(tài)存在。

2.5 感應(yīng)模塊

在基于單片機的直流電機PWM控制系統(tǒng)改進中,還需要對電動機轉(zhuǎn)速的感應(yīng)系統(tǒng)進行優(yōu)化。其中,感應(yīng)芯片是識別整個系統(tǒng)脈沖信號的關(guān)鍵部件,在改進時應(yīng)用體積較小、重量較輕的芯片安裝在電動機轉(zhuǎn)子附近,在電機運作期間可以通過感應(yīng)周邊的磁場變化去識別其脈沖信號。同時,感應(yīng)系統(tǒng)在設(shè)置時須根據(jù)整個系統(tǒng)的脈沖情況設(shè)置計數(shù)器測量其轉(zhuǎn)速,其中驅(qū)動感應(yīng)器、技術(shù)設(shè)備的穩(wěn)定性要引起重視[3]。

3 直流電機PWM控制系統(tǒng)的軟件程序改進措施

軟件程序是單片機的直流電機PWM控制系統(tǒng)的改進重點,在改進前單片機的直流電機PWM控制系統(tǒng)的軟件程序雖然能夠在一定程度上給定信號并實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定的有效調(diào)節(jié),但由于軟件程序功能的限制,使得其控制范圍相對較小,而且也只能采用相對應(yīng)的軟件來控制相同類型的控制對象,整體操作具有較大限制,導(dǎo)致模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)不夠完善,調(diào)試不方便。而在數(shù)字化技術(shù)誕生后,通過對單片機的直流電機PWM控制系統(tǒng)軟件程序進行改進,提高其自動化水平,可以有效彌補以往控制系統(tǒng)中的諸多不足。

在調(diào)試軟件時,一般遵循以下方法:每一步都以單步運行為基礎(chǔ),一次只執(zhí)行一條指令,在每一步結(jié)束后返回到臨控調(diào)試程序。在運行時,可以在任意一條地址處進行啟動,之后全速執(zhí)行。斷點運行可以在任意程序處進行斷點,當(dāng)程序執(zhí)行到斷點后,則會通過控制返回臨控調(diào)試程序。在檢查和修改儲存器的單元內(nèi)容后,就可以進行符號化測試,以檢查程序是否能按照匯編語言程序的符號進行調(diào)試。

如果發(fā)生了程序跳轉(zhuǎn)錯誤,則是由于程序運行無法達到指定地方,或者出現(xiàn)死循環(huán)而產(chǎn)生。一般情況下是由于改錯了符號或者是用錯了指令,只需對其調(diào)整即可。只有經(jīng)過反復(fù)測試,才能驗證計算程序的正確性。在開發(fā)單片機程序時,需要通過計算機進行模擬,以此對指令執(zhí)行的成果進行檢測。但是,在軟件調(diào)試時總會出現(xiàn)各種各樣的問題,例如在運行過程中,由于計算機自身具備多任務(wù)系統(tǒng),導(dǎo)致在劃分執(zhí)行時,是由操作系統(tǒng)自身來完成的,這時就無法得到有效控制,也無法對單片機的執(zhí)行時續(xù)進行模擬,無法真正像單片機運行環(huán)境那樣使單片機執(zhí)行指令。Keil軟件中,Debug工具可以進行調(diào)試,但在調(diào)試時要先選好時鐘芯片晶振動,這里為11.059 2 MHz。將文件進行分段調(diào)試,再將整個文件一起調(diào)試。通過建立工程文件,將相應(yīng)的程序保存為.C文件,編譯后生成.hex文件。在編譯好的Message中,可以查看程序是否存有語法錯誤,若有,按照提示進行修改即可。

3.1 主程序

結(jié)合直流電機PWM控制系統(tǒng)的整體情況構(gòu)建軟件程序系統(tǒng),按照硬件的不同模塊形成一個整體化的程序。主程序負責(zé)整個系統(tǒng)的管理。首先是硬件和軟件的啟動,其次是主程序要循環(huán)查詢整個模塊的運作情況,轉(zhuǎn)速初值設(shè)計、初始化轉(zhuǎn)動情況、系統(tǒng)初始化以及鍵盤掃描程序都包含在主程序中,PWM控制系統(tǒng)主程序是“大腦”,與各模塊、各程序都有直接的關(guān)系。

3.2 PWM信號產(chǎn)生程序

固定寬度頻率調(diào)制以及寬調(diào)節(jié)頻率調(diào)制是PWM信號產(chǎn)生程序的主線任務(wù),一般情況下會選擇固定頻率的調(diào)整方法,實現(xiàn)環(huán)流電動機的穩(wěn)定運作,也保障在PWM脈沖上實現(xiàn)。在PWM信號產(chǎn)生程序中應(yīng)設(shè)置明確的中斷服務(wù)程序,接受停止指令,在正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止?fàn)顟B(tài)下及時回正到相應(yīng)的標(biāo)志位置上,實現(xiàn)中斷返回,完成PWM信號產(chǎn)生流程圖。其中,定時器和計數(shù)器是整個PWM信號產(chǎn)生程序的必要保障,按照相關(guān)設(shè)備的定時特性,從初始值到定時時間的流程上設(shè)置相應(yīng)的微控制器和時鐘頻率,能在特定的時間上對電機的速度進行控制。同時,在實際設(shè)計過程中,選擇適宜的模型對整個系統(tǒng)值進行設(shè)計,通過設(shè)計不同的定時初始值來改變占空比,假設(shè)電機啟動設(shè)定時間為100 μs,點擊正轉(zhuǎn),小于占空比輸出PWM=0,輸出電壓為1,電機反轉(zhuǎn)同理[4]。

3.3 顯示程序

在顯示程序中結(jié)合顯示模塊的整體情況設(shè)計顯示電路,主要用于反饋電機在運行期間的識記速度,達到實時更新的目的,讓操作人員在調(diào)整整個系統(tǒng)運作速度時,有可視化的信息數(shù)據(jù)作為支撐,同時也能夠通過相應(yīng)的顯示更直觀地了解整個系統(tǒng)的運作情況。

3.4 感應(yīng)程序

在單片機的直流電機PWM控制系統(tǒng)中設(shè)置感應(yīng)程序,在整個系統(tǒng)運作前先進行初始化設(shè)計,再進行各中段初值設(shè)計,當(dāng)整個系統(tǒng)運作后,相關(guān)的感應(yīng)系統(tǒng)監(jiān)測到脈沖到來,再由外部的按鍵模塊進行中斷。整個反應(yīng)程序的運作在于脈沖運作記錄,在感應(yīng)程序啟動時,也會啟動定時器和計時器2個系統(tǒng),對系統(tǒng)的脈沖運作進行記錄獲取電機脈沖信號頻率,再采用相應(yīng)的公式計算出整個電機的轉(zhuǎn)速頻率,對頻率數(shù)值進行深入判斷,設(shè)定一個核定值,若超過相應(yīng)的核定值,顯示系統(tǒng)中會進行報警提示。

4 結(jié)束語

基于單片機的直流電機PWM控制系統(tǒng),利用軟件與硬件相組合的方式來實現(xiàn)電機的調(diào)節(jié),相比其他方法,對系統(tǒng)的控制更靈活,并且能夠有效解決直流電機控制功率小、調(diào)速頻繁等問題,使其可以有效地發(fā)揮出單片機控制的優(yōu)勢與效率。