一种单片机在直流电动机调速系统中的利用

侯　斌

[摘要]介绍一种单片机（如89C51型）在直流电动机转速控制系统中的应用、实现方法以及硬件结构等。直流电动机转速控制系统采用了霍尔元器件测量电动机的转速，用此种单片机对直流电动机的转速进行了控制，用DAC0832芯片实现输出模拟电压值来控制直流电动机的转速。

[关键词]单片机 直流电机 转速控制 硬件设计 软件设计 工作原理

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2009）0110020-01

由于直流电动机具有良好的起动、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，因此在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。而且，从控制的角度来看，直流调速还是交流拖的动系统的基础，早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使许多控制动能及算法可以采用软件技术来完成，不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，而且使系统能达到了更高的性能，从而大大节约了人力资源，降低了系统成本，有效地提高了工作效率。

一、转速的测量原理

转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转速来表示，其单位为r/min。转速的测量方法很多，由于转速是以单位时间内的转速来衡量的，因此采用霍尔元件测量转速是较为常用的一种测量方法。

霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，设其长为L、宽为b、厚度为d。若在垂直于薄片平面方向（即沿厚度d的方向）施加外磁场，在沿长为L的方向的两个端面加以外电场，则其内部会有一定的电流经过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：F1=qvB

式中：F1为洛仑兹力；q为载流子电荷；v为载流子运动速度；B为磁感应强度。

由于受洛仑兹力，电子的运动轨迹将发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电核过剩，形成霍尔电场。在霍尔元器件两个侧面间形成的电位差称为霍尔电压，其大小为：UH=RHIB/d

式中，RH为霍尔常数，I为控制电流。设KH=RH/d，则UH=KHIB

式中：KH称为霍尔器件的灵敏系数，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度B反向时，霍尔电动势也反向。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化。根据这一原理，可以将一块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，故可输出脉冲信号，其频率和转速成正比，测出霍尔元件输出脉冲的周期或频率即可计算出转速。

二、直流电动机转速控制系统硬件设计

通过自制5V电源（图1）来确保工作电压正常，由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至89C51单片机的计数器T1，由T1测出电动机的实际转速，并与设定值比较形成偏差；根据比较结果，使DAC0832输出的控制电压增大或减小；功放电路将DAC0832输出的模拟电压转换成具有一定输出功率的电动机控制电压。其控制原理如图1所示。

三、直流电动机转速控制系统软件设计

控制系统程序的功能是用89C51单片机的TO、T1测出电动机的实际转速，并与给定值进行比较，根据比较结果，使DAC0832芯片的输出控制电压增大或减小。30H单位存放实际转速与设定值是否相等的标志，“1”表示相等，“0”表示不相等；40H单位存放送入DAC0832芯片的数字控制电压；7FFFH为DAC0832地址。

四、直流电动机转速控制系统的工作原理

直流电动机的转速与施加于电动机两端的电压大小有关。本系统用DAC0832控制输出到直流电动机的电压的方法来控制电动机的转速。当电动机转速小于设定值时，DAC0832芯片的输出电压增大；当大于设定值时，则DAC0832芯片输出电压减小，从而使电动机以设定的速度恒速旋转。我们采用比例调节器算法，控制规律为：Y=KPe(t)+K1e(ft)dt

式中：Y为比例调节器输出；KP为比例系数；K1为积极系数；e(Ft)为调节器的输入，一般为偏差值。

系统采用了比例积分调节器，简称PI调节器，使系统在扰动的作用下，通过PI调节器的调节作用使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。无静差调速系统中，比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快（无滞后），积分部分使系统消除静差。

五、结论

本系统用单片机构成电动机转速的控制系统，采用比例积分调节器算法，不但效率高，而且电路简单，在实践中得到了比较广泛的应用。

作者简介：

侯斌，2003年毕业于西南交通大学电子科学与技术专业，现任兰州铁路局兰西车辆段助工，从事机械动力设备的管理、保养和维修等工作。