直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

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摘要：本設(shè)計(jì)介紹基于AT89C51單片機(jī)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主要完成軟件設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)。對(duì)于仿真設(shè)計(jì)采用Protues7.8仿真軟件，軟件設(shè)計(jì)采用keil編程軟件。本設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)控制單元、LCD1602顯示單元、PWM方波實(shí)現(xiàn)單元、模擬示波器以及獨(dú)立按鍵等模塊組成，并在理論研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真顯示能夠較好地實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、啟停控制。

關(guān)鍵詞：AT89C51；直流電機(jī)；PWM；LCD1602

引言

最早出現(xiàn)同時(shí)具有調(diào)速功能的電機(jī)是直流電機(jī)。直流電機(jī)是種類繁多的電機(jī)中極為重要的一種。在多年的研究和使用過(guò)程中，直流電機(jī)在調(diào)速控制領(lǐng)域中占有著不可取代的作用和地位，同時(shí)給各行各業(yè)的發(fā)展代來(lái)了方便和經(jīng)濟(jì)效益。直流電機(jī)基于其良好的線性調(diào)速功能，和簡(jiǎn)單易行的控制理論等，在實(shí)際的生產(chǎn)和生活中，直流電機(jī)仍然是調(diào)速電動(dòng)機(jī)的最佳選擇[1]。因此，一代又一代人不斷地研究和探索直流電機(jī)的速度控制策略和方案。最近幾年隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和直流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，直流電機(jī)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，進(jìn)而直流電機(jī)進(jìn)入成熟期，但是科學(xué)家們對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的研究從來(lái)沒有停止。同時(shí)，單片機(jī)的迅速發(fā)展，在人們生活和生產(chǎn)中得到迅速普及，大到工業(yè)應(yīng)用的機(jī)械臂，小到孩子們的玩具，在生活中更是隨處可見。單片機(jī)以其構(gòu)造簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，在電子領(lǐng)域迅速發(fā)展，占據(jù)一席之地。單片機(jī)具有體積小、成本低、功耗少、重量輕同時(shí)具有較好的穩(wěn)定性和通用性等特點(diǎn)[2]。尤其是AT89系列的單片機(jī)，由于其集成度高，處理性強(qiáng)，可靠性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有極優(yōu)的性能價(jià)格比，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，已在中國(guó)廣泛應(yīng)用同時(shí)在市場(chǎng)上廣泛流行。隨著直流電機(jī)、單片機(jī)以及計(jì)算機(jī)行業(yè)的飛速發(fā)展，人們對(duì)電子技術(shù)、智能化等概念的了解也更加深入，單片機(jī)控制直流電機(jī)領(lǐng)域也越來(lái)越得到大家的重視[3]。通過(guò)本設(shè)計(jì)的研究，我們不僅僅了解直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的應(yīng)用、發(fā)展和相關(guān)知識(shí)，我們還掌握了單片機(jī)的工作原理、電路設(shè)計(jì)、外圍芯片的整合、編程方法、編程技巧、應(yīng)用行業(yè)以及它的實(shí)用價(jià)值。

1主要研究?jī)?nèi)容

直流電機(jī)與交流電機(jī)構(gòu)相比，生產(chǎn)成本高，維護(hù)成本高。但是啟動(dòng)性能良好、速度平穩(wěn)性較好。直流電機(jī)經(jīng)常適用于需要自由移動(dòng)，無(wú)交流電的場(chǎng)合。如內(nèi)燃機(jī)、高速運(yùn)行的電梯，礦山起重機(jī)等生產(chǎn)設(shè)備。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)采用價(jià)格實(shí)惠、操作方便的AT89C51單片機(jī)，我們選擇該單片機(jī)是由于其不僅能滿足現(xiàn)有功能的需求，同時(shí)具有較高的性價(jià)比[4]，而且該單片機(jī)的發(fā)展歷史悠久，受到廣大電子開發(fā)者的喜愛。雖然DSP、FPGA等高端芯片，它們的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單片機(jī)。但是它們價(jià)格較高同時(shí)發(fā)展不是非常成熟，仍然需要有更多研究和探索階段。綜合考慮以上因素，最終選擇價(jià)格實(shí)惠、功能完善、編程簡(jiǎn)單[5]的單片機(jī)作為我們的開發(fā)芯片。本設(shè)計(jì)分為2個(gè)部分，Protues仿真以及Keil編程設(shè)計(jì)。Protues仿真目的是驗(yàn)證電路的可行性和編程的功能完整性，Keil編程目的是驗(yàn)證外圍設(shè)備的編程可行性和按鍵等模塊的穩(wěn)定性，仿真中電機(jī)控制部分是核心內(nèi)容，目的在于驗(yàn)證仿真和keil編程是否能應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。仿真電路設(shè)計(jì)以AT89C51為控制核心，外圍設(shè)備通過(guò)5個(gè)獨(dú)立的按鍵給CPU發(fā)送控制指令，同時(shí)CPU響應(yīng)指令對(duì)直流電機(jī)做出啟動(dòng)、關(guān)閉、轉(zhuǎn)向、減速和加速的控制，其中在仿真里面給出直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)是通過(guò)兩路的PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)Protues軟件中的模擬示波器顯示當(dāng)前脈沖的寬度，當(dāng)前的轉(zhuǎn)速以及其它相關(guān)信息則通過(guò)LCD1602顯示。其中PWM技術(shù)、直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、LCD1602顯示是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

2直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速：n=(U-IR)/Kø（1）式中：U表示電樞端電壓；I表示電樞電流；R表示電樞電路總電阻；K表示電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)；參數(shù)ø表示磁通量。在式（1）中，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可以分為兩部分。一部分為對(duì)勵(lì)磁磁通控制的勵(lì)磁控制法，另一部分為對(duì)電樞電壓的電樞控制法。本文采用勵(lì)磁不變時(shí)，通過(guò)改變電樞電壓的大小，以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。大部分的直流電機(jī)使用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式，開關(guān)驅(qū)動(dòng)是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制PWM來(lái)控制電樞兩端的電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓平均值：U0=(t1Us+0)/(t1+t2)=t1Us/T=αUs（2）在式（2）中，Us表示電源電壓；T表示脈沖周期；t1表示導(dǎo)通時(shí)間，α表示占空比，代表導(dǎo)通時(shí)間和周期的比值。當(dāng)Us不變時(shí)，改變占空比α來(lái)調(diào)節(jié)電壓從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度控制。本文設(shè)計(jì)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，主要分為兩部分：軟件設(shè)計(jì)以及電路仿真。通過(guò)多次調(diào)試、測(cè)試實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各模塊的功能。同時(shí)實(shí)現(xiàn)LCD1602顯示、PWM技術(shù)、直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，按鍵的開啟、急停、減速、加速等功能。基于AT89C51單片機(jī)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)主要組成為：CPU、LCD1602液晶顯示屏、獨(dú)立鍵盤、直流電機(jī)、復(fù)位電路以及晶體管震蕩電路等組成。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的工作原理：首先、通過(guò)五個(gè)獨(dú)立按鍵給單片機(jī)發(fā)送指令、CPU接收到指令后，通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生PWM脈沖，對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制。根據(jù)獨(dú)立按鍵設(shè)定的功能不同，通過(guò)定時(shí)器對(duì)PWM脈沖進(jìn)行調(diào)整。最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開啟、關(guān)閉、方向改變、減速、加速，并且把當(dāng)前的單位時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)顯示在LCD1602液晶屏上，根據(jù)PWM輸出的控制方向不同，將PWM信號(hào)通過(guò)Protues中的模擬示波器顯示出當(dāng)前的脈沖波形。

3直流電機(jī)的調(diào)速功能仿真

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的控制器是單片機(jī)，本文采用ATMEL公司的AT89C51，采用keil進(jìn)行軟件編程，Protues7.8進(jìn)行仿真電路設(shè)計(jì)。軟件編程方面主要包括，獨(dú)立鍵盤的編程實(shí)現(xiàn)、LCD1602顯示驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)、PWM占空比技術(shù)的設(shè)計(jì)、直流電機(jī)的控制，同時(shí)采用定時(shí)器進(jìn)行PWM占空比的產(chǎn)生。程序的邏輯順序，在main文件里面是從上到下無(wú)限循環(huán)運(yùn)行，當(dāng)遇到中斷或者按鍵變化時(shí)，保存斷點(diǎn)，響應(yīng)順序有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，先調(diào)用中斷，然后調(diào)用按鍵，當(dāng)中斷和按鍵執(zhí)行過(guò)后繼續(xù)返回?cái)帱c(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。當(dāng)所有的編程調(diào)試通過(guò)編譯之后生成hex文件，手動(dòng)通過(guò)Protues7.8軟件將hex文件添加到AT89C51里面。在仿真軟件里面進(jìn)行調(diào)試仿真。主程序作為入口程序端，起始階段，對(duì)LCD1602初始化、中斷初始化。完成前期的工作后，通過(guò)掃描獨(dú)立按鍵，如果按下啟動(dòng)按鈕，此處單片機(jī)內(nèi)容T0定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生PWM占空比，此時(shí)PWM1為低電平PWM2為高電平，控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)。只要按下停止按鍵，直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)立刻停止。在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，如果按下轉(zhuǎn)向按鍵，則開啟直流電機(jī)正向功能，如果按下加速按鈕，通過(guò)開啟的T0定時(shí)器增加PWM占空比進(jìn)而直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，如果減速按鈕，通過(guò)開啟的T0定時(shí)器減小PWM占空比進(jìn)而直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速減小.。如果再次按下轉(zhuǎn)速按鈕，則開啟直流電機(jī)的反向功能，如果按下加速按鈕，通過(guò)開啟的T0定時(shí)器增加PWM占空比進(jìn)而直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，如果按下減速按鈕，通過(guò)開啟的T0定時(shí)器減小PWM占空比進(jìn)而直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速減小。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先按下開啟按鈕，直流電機(jī)開始工作。如果需要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度增加操作，可以按下加速按鈕，每按一次直流電機(jī)的速度增加一次，但是它的速度增加有一個(gè)極限值，不能無(wú)限增加。當(dāng)按下減速按鈕時(shí)，直流電機(jī)的速度減小，直到減小到0為止。在任何一個(gè)過(guò)程當(dāng)中都可以按停止按鈕實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的急停。同時(shí)可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向按鍵進(jìn)行電機(jī)方向的控制，當(dāng)電機(jī)不工作時(shí)可以按下啟動(dòng)按鍵進(jìn)行電機(jī)的開啟控制。

4直流電機(jī)調(diào)速后并顯示功能仿真

通過(guò)上面的速度調(diào)整，同時(shí)為了用戶更好地觀察當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)情況，采用LCD1602，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前的電機(jī)速度的顯示，非常直觀清晰地展示出來(lái)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)觀察速度的穩(wěn)定性來(lái)判定控制效果。如果數(shù)字一直很穩(wěn)定，在沒有調(diào)整的情況下數(shù)字一直不變，或者發(fā)聲輕微的改動(dòng)，則實(shí)驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)部分很好，進(jìn)而讓整個(gè)電機(jī)的控制部分表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的趨勢(shì)，說(shuō)明電機(jī)的工作很穩(wěn)定。如果試驗(yàn)中LCD1602上面現(xiàn)實(shí)的數(shù)字一直不停地發(fā)生大的數(shù)字變動(dòng)，進(jìn)而得出電機(jī)工作不穩(wěn)定，需要進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整。

5結(jié)論

本文采用AT89C51單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的控制核心，通過(guò)5個(gè)獨(dú)立的鍵盤作為控制指令輸入給CPU同時(shí)單片機(jī)響應(yīng)控制指令，在仿真系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)各項(xiàng)控制，包括加/減速，以及方向控制，開啟與關(guān)閉控制，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速是通過(guò)改變兩路的PWM來(lái)改變占空比實(shí)現(xiàn)，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向通過(guò)H橋上三極管的導(dǎo)通特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上通過(guò)Protues7.8軟件中的模擬示波器顯示當(dāng)前脈沖的寬度，最后用采用LCD1602顯示當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和其它信息。設(shè)計(jì)仿真結(jié)果顯示控制效果較好。

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作者：趙娟萍 王會(huì)珍 周喜 姚新海 單位：鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院