基于直流電機(jī)調(diào)速與測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　本文以AT89S51單片機(jī)為核心，提出了基于直流電機(jī)調(diào)速與測速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，然后給出了系統(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)。本方案充分利用了單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有頻率高、響應(yīng)快的特點(diǎn)。

　　0 引言

　　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。本方案采用單片機(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

　　P W M（脈沖寬度調(diào)制P u l s e W i d t hModulation）簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)，廣泛應(yīng)用在測量、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)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

　　PWM可以應(yīng)用在許多方面，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。 在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”

　　來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又被稱為“開關(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。所以通過調(diào)節(jié)占空比，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓無級連續(xù)調(diào)節(jié)。

　　2.調(diào)速和測速系統(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輸入信號的采集、操作、對速度進(jìn)行控制，顯示部分采用四位共陽數(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，測速電路，鍵盤和 LED顯示模塊構(gòu)成最小系統(tǒng)。軟件上通過用C51語言編程產(chǎn)生PWM脈沖信號的輸出、鍵盤、LED顯示器的數(shù)據(jù)傳輸。通過鍵盤調(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，通過測速電路把轉(zhuǎn)速反饋給CPU并且通過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)用四位共陽數(shù)碼管、采用9012三極管開關(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。