直流電機轉速控制系統(tǒng)設計分析
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摘要：本設計介紹基于AT89C51單片機的直流電機轉速控制系統(tǒng)的設計。主要完成軟件設計與仿真設計。對于仿真設計采用Protues7.8仿真軟件，軟件設計采用keil編程軟件。本設計主要由單片機控制單元、LCD1602顯示單元、PWM方波實現單元、模擬示波器以及獨立按鍵等模塊組成，并在理論研究的基礎上，進行仿真測試。仿真顯示能夠較好地實現直流電機的轉速、轉向、啟停控制。
關鍵詞：AT89C51；直流電機；PWM；LCD160
引言
最早出現同時具有調速功能的電機是直流電機。直流電機是種類繁多的電機中極為重要的一種。在多年的研究和使用過程中，直流電機在調速控制領域中占有著不可取代的作用和地位，同時給各行各業(yè)的發(fā)展代來了方便和經濟效益。直流電機基于其良好的線性調速功能，和簡單易行的控制理論等，在實際的生產和生活中，直流電機仍然是調速電動機的最佳選擇[1]。因此，一代又一代人不斷地研究和探索直流電機的速度控制策略和方案。最近幾年隨著計算機科學技術的飛速發(fā)展和直流電機控制技術的發(fā)展，直流電機得到突飛猛進的發(fā)展，進而直流電機進入成熟期，但是科學家們對直流電機轉速的研究從來沒有停止。同時，單片機的迅速發(fā)展，在人們生活和生產中得到迅速普及，大到工業(yè)應用的機械臂，小到孩子們的玩具，在生活中更是隨處可見。單片機以其構造簡單、應用方便、易于操作等優(yōu)點，在電子領域迅速發(fā)展，占據一席之地。單片機具有體積小、成本低、功耗少、重量輕同時具有較好的穩(wěn)定性和通用性等特點[2]。尤其是AT89系列的單片機，由于其集成度高，處理性強，可靠性好，結構簡單，具有極優(yōu)的性能價格比，使用方便等優(yōu)點，已在中國廣泛應用同時在市場上廣泛流行。隨著直流電機、單片機以及計算機行業(yè)的飛速發(fā)展，人們對電子技術、智能化等概念的了解也更加深入，單片機控制直流電機領域也越來越得到大家的重視[3]。通過本設計的研究，我們不僅僅了解直流電機轉速控制的應用、發(fā)展和相關知識，我們還掌握了單片機的工作原理、電路設計、外圍芯片的整合、編程方法、編程技巧、應用行業(yè)以及它的實用價值。
1主要研究內容
直流電機與交流電機構相比，生產成本高，維護成本高。但是啟動性能良好、速度平穩(wěn)性較好。直流電機經常適用于需要自由移動，無交流電的場合。如內燃機、高速運行的電梯，礦山起重機等生產設備。本設計采用單片機對直流電機轉速進行控制。本設計采用價格實惠、操作方便的AT89C51單片機，我們選擇該單片機是由于其不僅能滿足現有功能的需求，同時具有較高的性價比[4]，而且該單片機的發(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，它們的功能遠遠高于單片機。但是它們價格較高同時發(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，最終選擇價格實惠、功能完善、編程簡單[5]的單片機作為我們的開發(fā)芯片。本設計分為2個部分，Protues仿真以及Keil編程設計。Protues仿真目的是驗證電路的可行性和編程的功能完整性，Keil編程目的是驗證外圍設備的編程可行性和按鍵等模塊的穩(wěn)定性，仿真中電機控制部分是核心內容，目的在于驗證仿真和keil編程是否能應用到實際當中。仿真電路設計以AT89C51為控制核心，外圍設備通過5個獨立的按鍵給CPU發(fā)送控制指令，同時CPU響應指令對直流電機做出啟動、關閉、轉向、減速和加速的控制，其中在仿真里面給出直流電機驅動電路的詳細設計，直流電機的轉速實現是通過兩路的PWM技術實現，在此基礎上通過Protues軟件中的模擬示波器顯示當前脈沖的寬度，當前的轉速以及其它相關信息則通過LCD1602顯示。其中PWM技術、直流電機的驅動電路、LCD1602顯示是本設計的難點和重點。
2直流電機轉速控制系統(tǒng)
直流電機轉速：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表示電動機結構；參數ø表示磁通量。在式（1）中，直流電機的轉速控制方法可以分為兩部分。一部分為對勵磁磁通控制的勵磁控制法，另一部分為對電樞電壓的電樞控制法。本文采用勵磁不變時，通過改變電樞電壓的大小，以實現直流電機的調速。大部分的直流電機使用開關驅動方式，開關驅動是使半導體功率器件工作在開關狀態(tài)，通過脈寬調制PWM來控制電樞兩端的電壓，實現對電機速度的控制。電動機電樞兩端電壓平均值：在式（2）中，Us表示電源電壓；T表示脈沖周期；t1表示導通時間，α表示占空比，代表導通時間和周期的比值。當Us不變時，改變占空比α來調節(jié)電壓從而實現對電機速度控制。本文設計的直流電機轉速控制系統(tǒng)，主要分為兩部分：軟件設計以及電路仿真。通過多次調試、測試實現系統(tǒng)的各模塊的功能。同時實現LCD1602顯示、PWM技術、直流電機的正轉反轉，按鍵的開啟、急停、減速、加速等功能?；贏T89C51單片機的直流電機轉速控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。直流電機轉速控制系統(tǒng)主要組成為：CPU、LCD1602液晶顯示屏、獨立鍵盤、直流電機、復位電路以及晶體管震蕩電路等組成。直流電機轉速控制的工作原理：首先、通過五個獨立按鍵給單片機發(fā)送指令、CPU接收到指令后，通過定時器產生PWM脈沖，對直流電機進行控制。根據獨立按鍵設定的功能不同，通過定時器對PWM脈沖進行調整。最終實現電機的開啟、關閉、方向改變、減速、加速，并且把當前的單位時間內脈沖的個數顯示在LCD1602液晶屏上，根據PWM輸出的控制方向不同，將PWM信號通過Protues中的模擬示波器顯示出當前的脈沖波形。
3直流電機的調速功能仿真
直流電機轉速控制系統(tǒng)的控制器是單片機，本文采用ATMEL公司的AT89C51，采用keil進行軟件編程，Protues7.8進行仿真電路設計。軟件編程方面主要包括，獨立鍵盤的編程實現、LCD1602顯示驅動程序的設計、PWM占空比技術的設計、直流電機的控制，同時采用定時器進行PWM占空比的產生。程序的邏輯順序，在main文件里面是從上到下無限循環(huán)運行，當遇到中斷或者按鍵變化時，保存斷點，響應順序有一個優(yōu)先級，先調用中斷，然后調用按鍵，當中斷和按鍵執(zhí)行過后繼續(xù)返回斷點繼續(xù)執(zhí)行。當所有的編程調試通過編譯之后生成hex文件，手動通過Protues7.8軟件將hex文件添加到AT89C51里面。在仿真軟件里面進行調試仿真。主程序作為入口程序端，起始階段，對LCD1602初始化、中斷初始化。完成前期的工作后，通過掃描獨立按鍵，如果按下啟動按鈕，此處單片機內容T0定時器開始計時，同時產生PWM占空比，此時PWM1為低電平PWM2為高電平，控制直流電機的正轉。只要按下停止按鍵，直流電機的運動立刻停止。在這個過程當中，如果按下轉向按鍵，則開啟直流電機正向功能，如果按下加速按鈕，通過開啟的T0定時器增加PWM占空比進而直流電機的轉速增加，如果減速按鈕，通過開啟的T0定時器減小PWM占空比進而直流電機的轉速減小.。如果再次按下轉速按鈕，則開啟直流電機的反向功能，如果按下加速按鈕，通過開啟的T0定時器增加PWM占空比進而直流電機的轉速增加，如果按下減速按鈕，通過開啟的T0定時器減小PWM占空比進而直流電機的轉速減小。實驗過程中，首先按下開啟按鈕，直流電機開始工作。如果需要實現電機的速度增加操作，可以按下加速按鈕，每按一次直流電機的速度增加一次，但是它的速度增加有一個極限值，不能無限增加。當按下減速按鈕時，直流電機的速度減小，直到減小到0為止。在任何一個過程當中都可以按停止按鈕實現直流電機的急停。同時可以調節(jié)轉向按鍵進行電機方向的控制，當電機不工作時可以按下啟動按鍵進行電機的開啟控制。
4直流電機調速后并顯示功能仿真
通過上面的速度調整，同時為了用戶更好地觀察當前的運動情況，采用LCD1602，實現對當前的電機速度的顯示，非常直觀清晰地展示出來。實驗通過觀察速度的穩(wěn)定性來判定控制效果。如果數字一直很穩(wěn)定，在沒有調整的情況下數字一直不變，或者發(fā)聲輕微的改動，則實驗的電路設計部分很好，進而讓整個電機的控制部分表現出非常穩(wěn)定的趨勢，說明電機的工作很穩(wěn)定。如果試驗中LCD1602上面現實的數字一直不停地發(fā)生大的數字變動，進而得出電機工作不穩(wěn)定，需要進一步進行調整。
5結論
本文采用AT89C51單片機作為整個控制系統(tǒng)的控制核心，通過5個獨立的鍵盤作為控制指令輸入給CPU同時單片機響應控制指令，在仿真系統(tǒng)中實現對電機各項控制，包括加/減速，以及方向控制，開啟與關閉控制，直流電機的轉速是通過改變兩路的PWM來改變占空比實現，直流電機的轉向通過H橋上三極管的導通特性來實現。在此基礎上通過Protues7.8軟件中的模擬示波器顯示當前脈沖的寬度，最后用采用LCD1602顯示當前的轉速和其它信息。設計仿真結果顯示控制效果較好。
參考文獻
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[5]王云慧,陳陽,謝東軍.基于單片機的直流電機電壓調速器的設計與實現[J].信息系統(tǒng)工程,2016,(4):45-45.
作者：趙娟萍 王會珍 周喜 姚新海 單位：鄭州職業(yè)技術學院