基于单片机的直流电机调速系统的设计

李美艳

（西安外事学院 工学院，陕西 西安710077）

基于单片机的直流电机调速系统的设计

李美艳

（西安外事学院 工学院，陕西 西安710077）

为了实现对直流电机控制的需求，提出了一种基于单片机为核心的直流电机调速系统设计方案，并完成系统的软硬件设计。该系统的硬件部分主要用单片机控制输入信号，软件部分采用C51进行编程，能够完成对直流电机的速度控制。实际应用表明，该系统具有操作简便、调速准确的特点，达到了设计要求。

单片机；输入信号；直流电机；速度控制

在工业企业的生产中，常用电机作为原动机去拖动各种生产机械，如各种机床、轧钢机、鼓风机、传送带等。随着自动控制系统的发展，对电机拖动系统的要求也愈来愈高，如提高加工精度以及工作速度，快速启动、制动以及逆转，实现宽范围内的调速和整个生产过程的自动化等[1-2]。要完成这些任务，必须有自动化控制设备来控制直流电机，微型计算机及单片机的快速发展，使直流电机的控制发生了质的飞跃[3]。

1　直流电机结构与原理

小功率直流电机是由定子和转子两大部分组成。定子上有一磁极，磁极上绕有励磁绕组。转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内装有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出[4-5]。使用计算机控制小功率直流电机调速系统的方法，是通过改变直流电机电枢上的电压接通或断开时间的比值（即占空比）来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。这种方式称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM[6-7]。在通电脉冲作用下：高电平时，马达速度增加；低电平时，速度逐渐减少。改变通、断电时间，可使马达速度达到一定的稳定性[8-9]。

假设电机接通电源时，转速为Vmax，则电机的平均速度为[10]:

上式中，Vd—电机的平均速度；

Vmax—电机全通电时的速度（最大）；

D=t1/T—占空比。

平均速度Vd与占空比D的函数曲线，如图1所示。

图1　Vd与D的函数曲线图

2　直流电机控制系统架构

直流电机控制系统由以下五部分组成，如图2所示。

1）占空比D的设定[11-12]

①人工设定：通过开关给定值(8位二进制数 )，改变开关的状态，即可改变占空比的大小；

②用电位器给定：经A/D转换器接到微型机作为给定值；

③由拨码键盘给定：每个拨码键盘给出一位BCD码（4位二进制数），若采用两位BCD码数，则需并行用两个拨码开关。

2）宽度脉冲发生器

根据给定平均速度Vd，计算出占空比D，用软件方法实现。

3）驱动器

将计算机输出的脉冲宽度调制信号加以放大，控制电机定子电压接通或断开的时间。由放大器/继电器，TTL集成电路组成驱动器构成[13]。

4）电子开关(大功率场效应管开关、固态继电器或可控硅)

用来接通或断开电机定子电源。一般需要加光电隔离器。

5）电机

被控对象，用以带动被控装置。

图2　系统框架图

3　直流电机控制接口

直流电机控制接口元器件包括固态继电器、大功率场效应管、专用接口芯片（如L290、L291、L292）以及接口板，所以直流电机与微型机接口可采用以下4种方法[14]：

1）光电隔离器＋大功率场效应管；

2）固态继电器；

3）用接口芯片；

4）专用接口板；

图3　固态继电器接口

本文采用如图3所示的固态继电器接口技术，3管脚经限流电阻R接＋5V直流电流。I/O接口的控制管脚，例如P1.0，经驱动器7406接到固态继电器第4管脚。当P1.0输出为高平电时，经反向驱动器7406输出低电平，使固态继电器发光二极管发光，并使光敏三极管导通，从而使直流电机绕组通电。反之，当PC0输出为低电平时，发光二极管无电流通过，不发光，光敏三极管随之截止，因而直流电机绕组没有电流通过。图3中V1为固态继电器内部的保护电路，V2为电机保护元件。使用时，应根据直流电机的工作电压、工作电流来选定合适的固态继电器[15]。

图4　开关控制直流电机示意图

开关控制直流电机如图4所示，开关SW1和SW4闭合时，电机全速正转；开关SW2和SW3闭合时，马达全速反转；SW2和 SW4（或SW1和SW4）闭合时，电机绕组被短路，电机处于刹车状态；将4个开关全部打开，电机自由滑行。

完整的双向直流电机调速控制接口电路如图5所示，采用8155作为并行接口电路。设8155 A口为输出方式，B口和C口为输入方式。A口PA1，PA0经4总线缓冲门74LS125和反向驱动器74LS06控制4个光电隔离器和4个大功率场效应开关管IRF640（图4中用SW1～SW4表示）。

1）单片机经8155 A口输出控制模型

输出02H控制模型时，使SW1、SW4导通；SW2、SW3关断，电流从左至右流过直流电机，使电机正转。

输出01H控制模型时，使SW2和SW3接通；SW1和SW4关断，电流由右向左流过电机，使电机反转。

输出03H控制模型时，刹车。

输出00H控制模型时，滑行。

2）单片机从8155 B口读入 8个开关的状态，作为脉冲宽度给定值N以实现脉冲宽度调速。

3）C口的PC0和PC1各接一个单刀双掷开关。

PC0位为方向控制位：

当PC0=0时，电机正向运行；

PC0=1时，电机反转。

PC1位用来控制电机的启动和停止：

若PC1=0，电机启动；

当PC1=1，电机停止。

图5　双向直流电机控制接口电路

4　系统软件设计

系统软件设计流程图如图6所示，具体实现过程如下：

1）对8155初始化:

设其 A口 为输出方式，B口、C口为输入方式。

2）读入方向控制标志:给定值N。

启动判断:决定是否启动电机。如不需要启动，则继续检查；

需要启动，进一步判断设置的电机转动方向。

3）读入占空比D的给定值。

4）按照要求输出正向（或反向）控制代码，

查对及判断脉冲宽度（单位脉冲个数）是否达到给定值:

如未达到要求，则继续输出控制代码；

达到给定值，便输出刹车（或滑行）代码。

5）重复上述过程，即可达到给定的电机旋转速度。

图6　软件设计流程图

5　结束语

该直流电机调速系统采用单片机控制双向直流电机为硬件平台，软件设计采用模块化设计思想，提高了直流电机调速系统的可靠性和稳定性。该调速系统将输入的信号通过单片机转换后输出控制信号，通过驱动电路调节直流电动机的转速，并且能够实时监控直流电动机的速度。实际应用表明该调速系统具有速度调节准确、系统稳定可靠、人机界面友好等特点，达到了设计要求。该设计方案可以应用在许多方面，包括电机调速、温度控制和压力控制等。

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Design of DC motor speed control system based on single-chip microcomputer

LI Mei-yan
（College of Engineering，Xi’an International University，Xi’an 710077，China）

In order to satisfy the requirement of the DC motor control，the design of the DC motor speed control system based on single-chip microcomputer is designed in this paper.The hardware system is used to produce the input signals of single-chip microcomputer.The software system adopts the c software as development environment，able to achieve the DC motor speed control.The experiment and application show that this test system has good performance，and achieve the design requirement.

single chip microcomputer；input signal；DC motor；speed control

TN710

A

1674－6236（2016）22-0158-03

2015-11-28稿件编号：201511280

李美艳（1974—），女，陕西乾县人，硕士，讲师。研究方向：自动控制技术。