直流電機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍,平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速特性。利用PWM脈沖信號(hào)的占空比決定輸出到直流電機(jī)的平均電壓的大小。通過(guò)調(diào)節(jié)占空比,可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的,而且輸出電壓可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)。以AT89S51單片機(jī)為核心的直流電機(jī)調(diào)速與測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,給出了系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu),以及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。充分利用了單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn),具有頻率高、響應(yīng)快的特點(diǎn)。
直流電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中常用的驅(qū)動(dòng)設(shè)備,具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ),采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成。控制系統(tǒng)的硬件部分復(fù)雜、功能單一,調(diào)試?yán)щy。采用單片機(jī)控制系統(tǒng),使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來(lái)完成,為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性,并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。
1.基于單片機(jī)的PWM直流調(diào)速原理
PWM(脈沖寬度調(diào)制Pulse Width Modulation)簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調(diào)制,是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù),廣泛應(yīng)用在測(cè)量、功率控制與變換等許多領(lǐng)域中。脈寬調(diào)制是一種模擬控制方式,其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管基極的偏置,改變晶體管導(dǎo)通時(shí)間。是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。
一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源,并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小,從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此,PWM又被稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。PWM的占空比決定輸出到直流電機(jī)的平均電壓。所以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比,可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)。
2.調(diào)速和測(cè)速系統(tǒng)的主體電路設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)由輸入電路、PWM調(diào)制、測(cè)速電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制部分及顯示等部分組成,PWM調(diào)制選用AT89S51單片機(jī)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)頻率和占空比的調(diào)節(jié)。
2.1 直流電機(jī)調(diào)速的設(shè)計(jì)方案
驅(qū)動(dòng)電路用光耦隔離保護(hù)電路,控制部分由單片機(jī)和外圍電路組成,實(shí)現(xiàn)各種控制要求,外圍電路主要完成對(duì)輸入信號(hào)的采集、操作、對(duì)速度進(jìn)行控制,顯示部分采用四位共陽(yáng)數(shù)碼管。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。
硬件方面以STC89C51單片機(jī)為核心,與復(fù)位電路、晶振電路、驅(qū)動(dòng)電路,測(cè)速電路,鍵盤(pán)和LED顯示模塊構(gòu)成最小系統(tǒng)。軟件上通過(guò)用C51語(yǔ)言編程產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)的輸出、鍵盤(pán)、LED顯示器的數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)鍵盤(pán)調(diào)節(jié)速度檔位給定值,實(shí)現(xiàn)按給定值跟蹤,在LED顯示器上顯示,最后再由單片機(jī)輸出PWM脈沖信號(hào),通過(guò)測(cè)速電路把轉(zhuǎn)速反饋給CPU并且通過(guò)CPU把轉(zhuǎn)速顯示在LED顯示器上,從而達(dá)到想要設(shè)定的轉(zhuǎn)速。
2.2 顯示電路設(shè)計(jì)
LED采用動(dòng)態(tài)顯示方式,通過(guò)四位數(shù)碼管顯示電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速,方便系統(tǒng)的監(jiān)控,系統(tǒng)用四位共陽(yáng)數(shù)碼管、采用9012三極管開(kāi)關(guān)電路驅(qū)動(dòng)、控制數(shù)碼管的顯示。
2.3 復(fù)位電路
單片機(jī)復(fù)位電路就好比電腦的重啟部分,當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中,按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動(dòng)從頭開(kāi)始執(zhí)行。復(fù)位電路采用上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種方式,C3、R21、S1組成復(fù)位電路。
2.4 時(shí)鐘電路
系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式,即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。AT89系列單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路,接在放大器的反饋回路中。
3.直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
從單片機(jī)直接輸出的控制信號(hào)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)12V直流電機(jī),目前大多采用H橋式驅(qū)動(dòng),為便于制作,驅(qū)動(dòng)模塊采用光電耦合器對(duì)控制電路和主電路進(jìn)行隔離,達(dá)到保護(hù)作用。U3輸出PWM控制信號(hào)通過(guò)三極管反相驅(qū)動(dòng)電機(jī),實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3所示。
4.測(cè)速電路設(shè)計(jì)
測(cè)速模塊由U型光電開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)盤(pán)及外圍電路組成,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)盤(pán)上附有八個(gè)小孔,當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一周產(chǎn)生八個(gè)脈沖信號(hào),由此可以把電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的物理量轉(zhuǎn)換成變化的脈沖信號(hào),經(jīng)Q5開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)輸送到單片機(jī)外部中斷P3.3進(jìn)行計(jì)數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的監(jiān)測(cè)。測(cè)速電路如圖4所示。
設(shè)計(jì)中應(yīng)用了比較常見(jiàn)的光電測(cè)速方法來(lái)實(shí)現(xiàn),其具體做法是將電機(jī)軸上固定一圓盤(pán),在測(cè)速模塊中U型光耦。通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)上八個(gè)圓孔,產(chǎn)生脈沖信號(hào)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到孔處時(shí),發(fā)光二極管通過(guò)縫隙將光照射到光敏三極管上,三極管導(dǎo)通,反之三極管截止。
U型光電開(kāi)關(guān)與轉(zhuǎn)盤(pán)的安裝如圖5所示:把轉(zhuǎn)盤(pán)固定在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上,安裝U型光耦,把光耦插入轉(zhuǎn)盤(pán)上,用螺絲固定,轉(zhuǎn)盤(pán)邊要安裝在U型光電開(kāi)關(guān)的槽中間。
5.調(diào)速和測(cè)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用C51語(yǔ)言開(kāi)發(fā),模塊化設(shè)計(jì)。定時(shí)器中斷工作在16位計(jì)數(shù)方式,實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示、PWM控制。外部中斷采用負(fù)邊沿觸發(fā),實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。程序流程圖如圖6。
6.小結(jié)
基于單片機(jī)控制直流電機(jī)的測(cè)速與調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)是將輸入的信號(hào)通過(guò)單片機(jī)轉(zhuǎn)換后輸出控制信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,并且能實(shí)時(shí)監(jiān)控直流電動(dòng)機(jī)的速度。由于采用的是PWM控制技術(shù)可以達(dá)到高精度的速度控制。測(cè)速采用光電開(kāi)關(guān),輕松實(shí)現(xiàn)速度的檢測(cè),為此,所設(shè)計(jì)的直流電機(jī)的測(cè)速與調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)具有速度輸入、檢測(cè)、顯示、脈寬調(diào)制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等主要電路,以便對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制與顯示。
青島艾普智能儀器有限公司專(zhuān)注于電機(jī)測(cè)試,提供一站式電機(jī)測(cè)試方案,始終秉承“以客戶(hù)為中心,以?shī)^斗者為本”的企業(yè)理念,不斷完善電機(jī)測(cè)試的解決方案,全力參與全球電機(jī)測(cè)試行業(yè)的競(jìng)合。