喬志杰 曾金明

(1安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2解放軍蚌埠汽車士官學(xué)校 安徽蚌埠 233030)

1 引言

直流電機具有良好的起、制動性能，并且適合大范圍的平滑調(diào)速，因此在各類需要調(diào)速或快速正反向的機電控制系統(tǒng)中得到廣泛運用。PWM直流調(diào)速技術(shù)以其開關(guān)頻率高、低速運行穩(wěn)定、動態(tài)性能優(yōu)越、效率高等優(yōu)點，在電機調(diào)速中被普遍應(yīng)用。PWM控制技術(shù)易于在單片機控制中實現(xiàn)，從而為直流電機控制的數(shù)字化提供了機會。采用單片機構(gòu)成直流電機速度控制系統(tǒng)，不僅可以降低控制系統(tǒng)成本，也是單片機應(yīng)用的一個重要方面。

Proteus[1]是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析、實物仿真系統(tǒng)，具有模擬和數(shù)字電路仿真、單片機和它的外圍電路組成的系統(tǒng)仿真[2]、LCD顯示、虛擬儀器、示波器、邏輯分析儀系統(tǒng)仿真等功能，可與Keil編程軟件進行聯(lián)調(diào)。基于Proteus軟件的良好仿真特性，程序在Proteus中成功完成仿真調(diào)試的同時，即可以說明所設(shè)計程序的準(zhǔn)確性，從而初步實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計中的控制程序設(shè)計部分，并為系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計提供一定的參考價值[2]。

2 直流電機的PWM調(diào)壓調(diào)速原理

脈寬調(diào)制[3](Pulse Width Modulation， PWM)就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。PWM控制技術(shù)[4]利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率方波電壓，見圖1。

圖1 周期性PWM矩形脈沖

則上式可化為：U0=α×U(U為脈沖幅值)

α即為占空比，由上式可知，要改變直流輸出電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值U和占空比α來實現(xiàn)，實際應(yīng)用中脈沖幅值通常是不變的，所以可以通過控制占空比α的大小實現(xiàn)直流輸出電壓在0～U之間的有效控制，也就是改變電機電樞(定子)電壓的接通和斷開的時間比(占空比)以達到變壓目的，從而利用PWM控制技術(shù)實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體方案的確定

本方案以AT89C51單片機為控制器，將單片機產(chǎn)生的控制信號加在電機驅(qū)動[4]模塊L298芯片上以控制直流電機。應(yīng)用4個按鍵，實現(xiàn)直流電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止等功能，設(shè)計方案采用了PWM技術(shù)來控制電機，利用占空比的改變實現(xiàn)速度的精確控制。運用軟件與硬件相結(jié)合的控制方法，實現(xiàn)了單片機對直流電機的穩(wěn)定速度控制。

硬件電路設(shè)計框圖如圖2所示，電路結(jié)構(gòu)由以下部分組成：顯示模塊、單片機、按鍵模塊、電機驅(qū)動模塊。

圖2 直流電機速度控制系統(tǒng)硬件框圖

3.2 電機驅(qū)動模塊

應(yīng)用L298芯片作為電機驅(qū)動模塊。L298是雙H橋直流電機驅(qū)動芯片，可以方便的驅(qū)動兩個直流電機，也可以驅(qū)動一個四相電機，能利用單片機的I/O口作為控制信號，芯片電路簡單，應(yīng)用方便。

L298的使能端為高電平時，輸入端IN1為PWM信號，IN2為低電平信號時，電機正轉(zhuǎn)；輸入端IN1為低電平信號，IN2為PWM信號時，電機反轉(zhuǎn)；IN1與IN2相同時，電機快速停止。當(dāng)使能端為低電平時，電動機停止轉(zhuǎn)動。

3.3 按鍵模塊

按鍵采用獨立式鍵盤結(jié)構(gòu)，使用AT89C51的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3四個引腳控制4個獨立按鍵，4個按鍵分別實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)向、加速、減速、停止的功能。獨立式鍵盤一般用在按鍵較少的場

合，獨立式鍵盤的按鍵相互獨立，每個按鍵接一根I/O口線，各根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其它I/O口線的工作狀態(tài)。所以只需要檢測I/O口線的電平狀態(tài)，就可判斷是鍵盤上哪個鍵被按下。

3.4 顯示模塊

顯示模塊采用的是液晶LCD顯示模塊 LM016L。

(1)其主要接口有[5]：

第1腳：VSS為地電源。

第2腳：VDD接5V正電源。

第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。

第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。

第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。

第7～14 腳：D0～D7 為8位雙向數(shù)據(jù)線。

(2)單片機與LCD的連接

(RS，R/W，E)控制引腳接P3口，8個數(shù)據(jù)信號接P1口。VSS和VEE 接單片機地，VDD接單片機的電源VCC。

3.5 直流電機速度控制系統(tǒng)的Proteus仿真電路

直流電機速度控制系統(tǒng)Proteus仿真[6]電路如圖3所示。

Proteus元件庫中有多類電機元件，在此選用帶編碼器的電機MOTOR-ENCODER來仿真，其編碼輸出可提供兩路路具有90度相位差的編碼脈沖，利用這兩路信號通過74LS386門后的脈沖信號反饋給T0后計數(shù)，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的檢測。從虛擬儀器模式[7]里選取示波器模塊實現(xiàn)對L298電機驅(qū)動模塊的ENA信號檢測，利用圖表模式對編碼器的兩路信號進行電壓信號分析。

圖3 直流電機速度控制系統(tǒng)Proteus仿真電路

4 直流電機速度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)啟動后，單片機進行初始化設(shè)置，如系統(tǒng)的初始化、LCD初始化和定時器的初始化。單片機檢測是否有鍵按下，通過對按鍵的判斷，對脈沖寬度的調(diào)整是通過改變高電平的時間長度，由變量分別實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)向、加速、減速和停止，控制PWM的輸出信號，從而控制電機的轉(zhuǎn)速，依次循環(huán)使電機趨于穩(wěn)定系統(tǒng)程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

5 單片機控制系統(tǒng)綜合仿真調(diào)試

5.1 系統(tǒng)仿真聯(lián)調(diào)

在Keil uVision[8]集成開發(fā)環(huán)境下進行源程序編譯。對程序編譯調(diào)試完畢后，在Proteus電路圖中，雙擊單片機AT89C51，打開其屬性編輯框，在“Program File”欄中選取擴展名為“.HEX”的目標(biāo)代碼文件，并將其時鐘頻率改為12MHZ。在Proteus仿真界面中單擊電路圖中的運行按鈕，就可以實現(xiàn)直流電機的仿真控制[9]。

5.2 仿真結(jié)果

當(dāng)仿真開始運行時，各個模塊處于初始狀態(tài)。點擊加速或是減速按鈕，顯示模塊便開始顯示數(shù)字。通過按鍵控制電機的驅(qū)動模塊可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止等操作。從圖5～圖8仿真結(jié)果可以看出，本設(shè)計可以得到預(yù)期的仿真效果。

圖5 電機加速前的波形和加速后的的波形

圖6 編碼器信號

圖7 加速正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時的電機運行圖

圖8 電機速度顯示界面

6 結(jié)論

從圖5可以看出，加速后的占空比增大，符合設(shè)計要求，說明該速度控制系統(tǒng)是有效的，能夠反映實際系統(tǒng)速度控制的要求。運用Proteus和Keil對直流電機控制進行了軟件和硬件的設(shè)計，通過單片機AT89C51，可以方便的控制直流電機的速度和轉(zhuǎn)向，仿真結(jié)果表明：系統(tǒng)具有外圍器件簡單，運行穩(wěn)定的特點，達到了比較滿意的控制效果[9]。

參考文獻：

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