基于单片机的直流电动机控制系统设计

潘欣荣

摘 要：为了提高直流电动机的控制精度和生产效率，文章介绍了一种基于单片机的直流电动机控制系统，并对该系统的硬件部分、软件部分以及实现方式进行了论述，系统经应用验证，其性能较好地达到了预期的各项指标要求。

关键词：直流电动机；调速系统；单片机

长期以来，直流电动机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。

1.系统简介

直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。在很多需要电力拖动的实际生产领域，电动机要与生产工艺配合必须要求可以调速。与交流电机相比，直流电机具有良好的起动、制动性能，可以平滑调速、过载能力强、不受电机功率限止等诸多优点，所以在许多行业中广泛应用。

2.系统硬件

2.1 总体

本次是采用单片机作为控制系统，可控整流电路作为调压电路。

（1）电动机部分

在电动机主电路中可控整流电路采用单相半控桥式电路，为电机电枢提供脉动式直流电压，励磁部分采用固定桥式整流电路。由于电机为大电感负载，为了使单相半波整流电路正常工作，在负载两端并联一个续流二极管消除负电压的影响。其中快速熔断器用来实现可控硅的过电流保护，阻容串联电路用来实现可控硅过电压保护。

（2）单片机部分

单片机控制系统由单片机、人机对话电路、同步信号获得电路、触发脉冲整形及驱动电路构成。

本次选用AT89C51 单片机，它有4 KB 的ROM、128 B的RAM、两个16位的定时计数器、4个8位并行口、全双工串行口，可以满足要求。

2.2单元电路

2.2.1同步信号电路

同步信号电路由同步信号获得电路、整形电路、脉冲方向变换电路组成，正弦交流电经同步变压器获得与主电路同步变化的过零点信号，经LM339组成的过零比较器将正弦波变换成脉冲波，经74lLS123将脉冲波的上升沿转换成下降沿以满足单片机中断的要求。

（1）LM339

LM339称为四路差动比较器，是比较常见的一种集成电路，有四个独立的电压比较器装在其芯片内部，该电压比较器的特点及参数设置在此就不列举说明了，可查阅相关资料，它类似于运算放大器，但是它的增益不可调。我们可以利用LM339的特性，组成各种振荡器电路，还可以组成各种电压比较器电路，而且弱信号用LM339检测是比较理想的。由于LM339使用的灵活性，使得其应用非常广泛。

（2）74LS123

经LM339 后的信号成为脉冲波信号，但单片机INT1是边沿触发。因此，要使脉冲方向变换，信号必须还要经过整形。74LS123是单稳态触发器，它的内部有兩个相互独立的单稳，除了外接的定时电阻，还有定时电容，二者共同决定了单稳输出的脉宽。

2.2.2人机对话模块电路

（1）要求及芯片选用

人机对话模块需要8个LED显示数码管，4×4输入键盘，整个电路模块采用可编程键盘。根据以上设计任务要求，决定芯片选择如下：显示接口选用8279，段驱动采用74LS244、74LS138译码器和74LS451组成位驱动。

（2）主要元件——8279接口芯片

Intel8279芯片是一种通用的可编程序的键盘、显示接口芯片。它既具有按键处理功能，又具有自动显示功能，因此被广泛应用在单片机开发领域。键盘控制部分可控制8×8=64个按键，显示RAM容量为16×8，即显示器最大配置可控制16位LED数码管动态扫描显示。扫描方式分译码和编码两种，由于用译码方式外接显示管不能多于4位，所以采用编码方式，而采用编码方式需要配合适当的译码器完成译码功能，本次设计选用74LS138 译码器。

2.2.3驱动电路及输出信号

（1）电路

输出信号及驱动电路的作用是将单片机的控制信号经过驱动电路信息传送给电机，控制电机的启动、停止和运转。该部分电路主要由74LS123、两只NPN型的三极管、74LS02，以及触发变压器组成。

（2）工作原理

单片机将P2.0 管角输出信号送给74LS123，触发74LS123经Q端送出定宽脉冲信号用来使三极管Q2导通，Q2集电极与脉冲变压器C30初级相连，这时脉冲变压器初级有电流流过，次级将产生脉冲电压触发可控硅导通。74LS123触发脉冲变压器的触发信号的宽度计算：选Cext=0.1 uF；Rext =10 kΩ，则

Tw=0.45×10 kΩ×0.1 uF=0.45 s。

本次选用的脉冲触发变压器型号为KCB-041B，用它作为输出信号的驱动电路。该变压器需与可控硅配套使用，接在控制触发单元与可控硅控制极之间，主要作用一是传递触发脉冲，再者是用来隔离强电与弱电。

单片机的P2.1端口是用来控制电动机的启动和停止，输出低电平，经74LS02 反相，送给三极管Q1 的基极，使三极管导通。三极管的集电极与电动机继电器的线圈相连，当三极管导通时，继电器线圈有电流流过，衔铁吸和，电机启动。

2.2.4电机的控制电路

电机控制电路部分的作用是控制直流电机的调速。电机控制电路主要由单相半控桥式整流电路、固定桥式整流电路以及续流二级管等组成。单向可控硅实际就是一种可控整流元件，能在外部控制信号作用下由关断变为导通，但一旦导通，即使去掉外部信号，也无法断开电路，只能靠去除负载或降低其两端电压使其关断。外部触发脉冲信号加入到可控硅的先后，决定了可控硅导通的先后，在工频交流电220 V每个正半周内可控硅导通的电角度叫导通角θ，θ是用来表示可控硅在承受正向电压的半个周期的导通范围的。通过改变导通角θ，可以改变电动机上电枢电压值，电动机的转速也将会随其改变而变化。根据任务计算可控硅的参数。设工频交流电压U2max=220 V，Iom=2 A，可控硅和续流二级管承受的最大电压为：UTM = 2U2 =311 V ，其电流的有效值为：IT=1.11×2 A=2.22 A。

可控硅的型号计算为：额定电压UTn=（2～3）UTM=622～933 V ，本次设计选择600 V；额定电流IT（AV）=（1.5～2）IT 1.57=2.1～2.8 A ，选择2 A。

3.结束语

总之，电动机的数字控制是电动机控制的发展趋势，用单片机对电动机进行控制是实现电动机数字控制的最常用的手段。本系统采用单片机做控制系统，整个系统设计合理，功能实现良好，性能可靠，成本低，有效地提高了系统的可靠性和实用性。

参考文献：

[1]刘凡. 基于单片机的直流电动机控制系统设计[J]. 化学工程与装备， 2010（7）：96-97.

[2]薛成成. 基于单片机的直流电机控制系统设计[J]. 中外企业家， 2014（9）：216-217.

[3]赵开理. 基于单片机设计直流电机控制系统[D]. 南京邮电大学， 2017.