直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計分析
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摘要：本設(shè)計介紹基于AT89C51單片機(jī)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的設(shè)計。主要完成軟件設(shè)計與仿真設(shè)計。對于仿真設(shè)計采用Protues7.8仿真軟件，軟件設(shè)計采用keil編程軟件。本設(shè)計主要由單片機(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?？刂啤?/p>
關(guān)鍵詞：AT89C51；直流電機(jī)；PWM；LCD1602
引言
最早出現(xiàn)同時具有調(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，同時給各行各業(yè)的發(fā)展代來了方便和經(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)家們對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的研究從來沒有停止。同時，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)簡單，具有極優(yōu)的性能價格比，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，已在中國廣泛應(yīng)用同時在市場上廣泛流行。隨著直流電機(jī)、單片機(jī)以及計算機(jī)行業(yè)的飛速發(fā)展，人們對電子技術(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)域也越來越得到大家的重視[3]。通過本設(shè)計的研究，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，我們還掌握了單片機(jī)的工作原理、電路設(shè)計、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)用價值。
1主要研究內(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，無交流電的場合。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)計采用單片機(jī)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。本設(shè)計采用價格實(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，同時具有較高的性價比[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(shí)惠、功能完善、編程簡單[5]的單片機(jī)作為我們的開發(fā)芯片。本設(shè)計分為2個部分，Protues仿真以及Keil編程設(shè)計。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)計以AT89C51為控制核心，外圍設(shè)備通過5個獨(dú)立的按鍵給CPU發(fā)送控制指令，同時CPU響應(yīng)指令對直流電機(jī)做出啟動、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)動電路的詳細(xì)設(shè)計，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)是通過兩路的PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上通過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LCD1602顯示。其中PWM技術(shù)、直流電機(jī)的驅(qū)動電路、LCD1602顯示是本設(shè)計的難點(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(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)動方式，開關(guān)驅(qū)動是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電樞兩端的電壓，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的控制。電動機(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)通時間，α表示占空比，代表導(dǎo)通時間和周期的比值。當(dāng)Us不變時，改變占空比α來調(diào)節(jié)電壓從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度控制。本文設(shè)計的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，主要分為兩部分：軟件設(shè)計以及電路仿真。通過多次調(diào)試、測試實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各模塊的功能。同時實(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、通過五個獨(dú)立按鍵給單片機(jī)發(fā)送指令、CPU接收到指令后，通過定時器產(chǎn)生PWM脈沖，對直流電機(jī)進(jìn)行控制。根據(jù)獨(dú)立按鍵設(shè)定的功能不同，通過定時器對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)前的單位時間內(nèi)脈沖的個數(shù)顯示在LCD1602液晶屏上，根據(jù)PWM輸出的控制方向不同，將PWM信號通過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。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)動程序的設(shè)計、PWM占空比技術(shù)的設(shè)計、直流電機(jī)的控制，同時采用定時器進(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限循環(huán)運(yùn)行，當(dāng)遇到中斷或者按鍵變化時，保存斷點(diǎn)，響應(yīng)順序有一個優(yōu)先級，先調(diào)用中斷，然后調(diào)用按鍵，當(dāng)中斷和按鍵執(zhí)行過后繼續(xù)返回斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。當(dāng)所有的編程調(diào)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(jìn)行調(diào)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(dú)立按鍵，如果按下啟動按鈕，此處單片機(jī)內(nèi)容T0定時器開始計時，同時產(chǎn)生PWM占空比，此時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)動立刻停止。在這個過程當(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，通過開啟的T0定時器增加PWM占空比進(jìn)而直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，如果減速按鈕，通過開啟的T0定時器減小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，通過開啟的T0定時器增加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，通過開啟的T0定時器減小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極限值，不能無限增加。當(dāng)按下減速按鈕時，直流電機(jī)的速度減小，直到減小到0為止。在任何一個過程當(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)不工作時可以按下啟動按鍵進(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
通過上面的速度調(diào)整，同時為了用戶更好地觀察當(dāng)前的運(yùn)動情況，采用LCD1602，實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前的電機(jī)速度的顯示，非常直觀清晰地展示出來。實(shí)驗(yàn)通過觀察速度的穩(wěn)定性來判定控制效果。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，則實(shí)驗(yàn)的電路設(shè)計部分很好，進(jìn)而讓整個電機(jī)的控制部分表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的趨勢，說明電機(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，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)作為整個控制系統(tǒng)的控制核心，通過5個獨(dú)立的鍵盤作為控制指令輸入給CPU同時單片機(jī)響應(yīng)控制指令，在仿真系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對電機(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)速是通過改變兩路的PWM來改變占空比實(shí)現(xiàn)，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向通過H橋上三極管的導(dǎo)通特性來實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上通過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)計仿真結(jié)果顯示控制效果較好。
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作者：趙娟萍 王會珍 周喜 姚新海 單位：鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院