基于單片機(jī)控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)

李偉龍

（西北民族大學(xué) 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030）

1 引言

電力電子技術(shù)是以功率處理、電能變換為主要對象的現(xiàn)代工業(yè)電子技術(shù)，以PWM控制為代表的數(shù)字化控制技術(shù)的發(fā)展和在電力電子技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用使得電力電子技術(shù)產(chǎn)生了脫胎換骨的變化[1]。

PWM技術(shù)最初是在無線電技術(shù)中用于信號的調(diào)制，后來在電機(jī)調(diào)速中得到了很好的應(yīng)用[2]。在直流伺服控制系統(tǒng)中，通過專用集成芯片或中小規(guī)模數(shù)字集成電路構(gòu)成的傳統(tǒng)PWM控制電路往往存在電路設(shè)計復(fù)雜、體積大、抗干擾能力差以及設(shè)計困難、設(shè)計周期長等缺點，因此PWM控制電路的模塊化、集成化已成為發(fā)展趨勢[3]。近年來，電氣傳動的PWM控制技術(shù)以成為電氣傳動自動控制技術(shù)的熱點之一。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由按鍵輸入控制命令給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過判斷和處理發(fā)出控制信號送給PWM控制模塊，從而經(jīng)H橋驅(qū)動電路根據(jù)不同的占空比來控制直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且經(jīng)過光電編碼器測速反饋給單片機(jī)與給定值比較同時采用LED數(shù)碼管顯示輸出，從而根據(jù)偏差值發(fā)出控制信號實現(xiàn)閉環(huán)控制，構(gòu)成系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計總框圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 主控電路

主控芯片采用STC89C52單片機(jī)，是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容[4]。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。

3.2 PWM控制模塊

在數(shù)控機(jī)床的直流伺服系統(tǒng)中,速度調(diào)節(jié)主要通過改變電樞電壓的大小來實現(xiàn)[5]。經(jīng)常采用晶閘管相控整流調(diào)速或大功率晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速兩種方法,后者簡稱PWM,常見于中小功率系統(tǒng),它采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù),其工作原理是：通過改變接通脈沖的寬度,使直流電機(jī)電樞上的電壓的占空比改變,從而改變電樞電壓的平均值,控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速[6]。采用PWM實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速控制具有以下特點：1)主電路簡單,所用功率元件少；2)開關(guān)頻率高,可避開機(jī)床的共振區(qū),工作平穩(wěn)；3)采用功率較小的低慣量電機(jī)時,具有高的定位速度和精度；4)低速性能好,穩(wěn)速精度高,調(diào)速范圍寬；5)系統(tǒng)頻帶寬,動態(tài)響應(yīng)好,抗干擾能力強(qiáng)。

3.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

要實現(xiàn)以上的功能，應(yīng)用比較廣泛的是由四個開關(guān)管構(gòu)成的H型橋式驅(qū)動電路。這種驅(qū)動電路可以很方便實現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。其電路圖如圖2。

圖2 H橋驅(qū)動原理

可根據(jù)需要對四個開關(guān)管進(jìn)行控制，使其能實現(xiàn)可逆調(diào)速的功能。使全橋式驅(qū)動電路的4只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，Q1、Q4為一組，Q2、Q3為另一組，兩組的狀態(tài)互補(bǔ)，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。當(dāng)Q1、Q4導(dǎo)通時，Q2、Q3關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng)Q2、Q3導(dǎo)通時，Q1、Q4關(guān)斷電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。

3.4 測速模塊

光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，由光柵盤和光電檢測裝置組成[7]。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機(jī)同軸，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.5 LED顯示模塊

本系統(tǒng)使用四位共陽數(shù)碼管顯示直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，為了節(jié)省I/O口，我們使用74LS47來把四位的BCD碼轉(zhuǎn)換成七段LED顯示。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

應(yīng)用系統(tǒng)中的各應(yīng)用軟件是由系統(tǒng)功能要求而設(shè)計的，能夠可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。本系統(tǒng)的軟件主要包括以下幾個程序模塊：初始化程序；鍵盤掃描程序與處理程序；定時器0服務(wù)程序；PWM信號發(fā)生程序；測速子程序模塊；顯示子程序模塊。主程序流圖如圖3所示。

系統(tǒng)經(jīng)過初始化后讀取鍵值，根據(jù)設(shè)計好的不同的按鍵的值，對系統(tǒng)發(fā)出不同的控制命令，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制，由測速模塊每次反饋的值與設(shè)定值比較，并且采用PID控制算法通過對參數(shù)的整定，可以使直流電機(jī)的輸出能在較短的時間內(nèi)達(dá)到設(shè)定值的要求，并且在整個過程能夠保持良好穩(wěn)定的運(yùn)行，完成系統(tǒng)的控制要求。

圖3 主程序流程圖

5 結(jié)論

本文所述的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是以單片機(jī)STC89C52為核心，而通過單片機(jī)來實現(xiàn)電機(jī)調(diào)整又有多種途徑，相對于其他用硬件或者硬件與軟件相結(jié)合的方法實現(xiàn)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，采用PWM軟件方法來實現(xiàn)的調(diào)速過程具有更大的靈活性和更低的成本，它能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的效能，對于簡易速度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一種有效的途徑。

[1]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007

[2]李榮生主編，電氣傳動控制系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

[3]吳守箴，臧英杰.電氣傳動的脈寬調(diào)制控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995

[4]韓全立，王建明.單片機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004

[5]李發(fā)海，王巖.電機(jī)與拖動基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005

[6]陳伯時主編,自動控制系統(tǒng)——電力拖動控制[M].北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，1992

[7]王家楨，傳感器與變送器[M].北京：清華大學(xué)出版社,1996