倪　波，陸苗霞

應(yīng)天職業(yè)技術(shù)學(xué)院

實(shí)驗(yàn)室電機(jī)調(diào)速控制裝置的設(shè)計(jì)

倪波，陸苗霞

應(yīng)天職業(yè)技術(shù)學(xué)院

目前用的電機(jī)調(diào)速器基本采用的是變頻調(diào)速，利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。而我們研究的是實(shí)驗(yàn)室用，希望能綜合各門學(xué)科，又適合我們的能力水平的。本文設(shè)計(jì)的是直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，正反轉(zhuǎn)及過速報(bào)警等功能。

電機(jī)；調(diào)速；控制

注：江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：201512680004Y。

1　緒論

電機(jī)技術(shù)這門課程學(xué)習(xí)的過程中，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺乏，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及正反轉(zhuǎn)的學(xué)習(xí)只基于理論的學(xué)習(xí)，沒有實(shí)際的電機(jī)進(jìn)行這方面的調(diào)試，因此在學(xué)習(xí)的過程中覺得離真正理解還有一定的距離。因此就選擇了實(shí)驗(yàn)室電機(jī)控制裝置的設(shè)計(jì)與制作作為大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目。本項(xiàng)目主要是利用單片機(jī)技術(shù)建立一個(gè)電機(jī)的控制模型，讓電機(jī)達(dá)到如下效果：

（1）數(shù)碼顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速；

（2）按鍵控制電機(jī)的加速和減速；

（3）電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制；

（4）電機(jī)轉(zhuǎn)速如果過快進(jìn)行報(bào)警設(shè)置等功能。

2　設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)主要是包含硬件和軟件兩部分。硬件方面是以89C51為主要核心，配合顯示模塊、鍵盤模塊、控制模塊、紅外對(duì)管測(cè)速計(jì)數(shù)和蜂鳴器等模塊。［1］軟件上通過用C語(yǔ)言編程產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)的輸出。當(dāng)用鍵盤輸入速度既定值，裝置自動(dòng)按既定值進(jìn)行跟蹤，然后利用數(shù)碼顯示器顯示出來(lái)，最后再由單片機(jī)輸出PWM脈沖信號(hào)。測(cè)速電路可以把電機(jī)的轉(zhuǎn)速傳輸給CPU，然后CPU把電機(jī)的轉(zhuǎn)速顯示在數(shù)碼顯示品上。如果電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過限定值，則電機(jī)會(huì)發(fā)出報(bào)警聲。通過鍵盤上的反轉(zhuǎn)按鈕可以使得電機(jī)反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)按鈕實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)。

2.1LED顯示的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用四位數(shù)碼顯示管進(jìn)行顯示，如圖1所示。LED數(shù)碼管有共陰極和共陽(yáng)極兩種，本設(shè)計(jì)采用的是四位共陰極的數(shù)碼顯示管，動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)，它是單片機(jī)應(yīng)用中最廣泛的一種顯示方式。所有數(shù)碼管的顯示筆劃包括小數(shù)點(diǎn)共8位，全部連在同一段，公共端增加位選通控制電路，由單獨(dú)的輸入輸出口來(lái)控制，分別是P24-P27四個(gè)端口。我們根據(jù)需要，讓需要顯示的數(shù)碼管的選通端打開，該為就會(huì)顯示出數(shù)字。通過輪流使選通端有效，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的順序顯示，就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。

圖1　LED顯示電路

2.2鍵盤的設(shè)計(jì)

在圖2中，一個(gè)復(fù)位按鍵加上五個(gè)控制按鍵組成一個(gè)簡(jiǎn)易的控制鍵盤。其中的五個(gè)控制部分的線路分別與單片機(jī)的P32-P37口相連，另一端直接接地。通過按鍵的選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。SW2開關(guān)是用來(lái)設(shè)置報(bào)警的上限數(shù)值，SW3是實(shí)現(xiàn)電機(jī)加速，SW4是實(shí)現(xiàn)電機(jī)減速，SW5是實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)停止的功能，SW6是實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)功能。當(dāng)有按鍵按下時(shí)與單片機(jī)相連的引腳就會(huì)出現(xiàn)低電平，這樣CPU就能判斷是否有按鍵按下。

圖2　鍵盤簡(jiǎn)易電路

2.3紅外對(duì)管測(cè)速計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用紅外對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而達(dá)到記錄電機(jī)速度的功能，具體電路如圖3所示。

圖3　紅外測(cè)速計(jì)數(shù)電路

即在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上固定一圓盤，圓盤上可有通光槽，在圓盤兩側(cè)設(shè)置發(fā)光元件和受光元件，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，受光元件周期性受到光照，產(chǎn)生電脈沖，在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以換算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)的測(cè)速方式有光反射法、磁電法、光柵法和霍爾開關(guān)檢測(cè)法。本設(shè)計(jì)中由于成本的限制，采用了性價(jià)比比較好的的光柵法來(lái)實(shí)現(xiàn)。［2］在電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上固定一個(gè)圓盤，它的邊緣上有N個(gè)等分凹槽，即通光槽，如圖4（a）所示。在圓盤的一側(cè)固定一個(gè)發(fā)光元件，本設(shè)計(jì)中用的是發(fā)光二極管，讓它的位置對(duì)準(zhǔn)凹槽處。在另一側(cè)和發(fā)光二極管平行的位置上固定一個(gè)受光元件，本設(shè)計(jì)中選用的是光敏的三極管。如果電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到凹槽處，發(fā)光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)通，反之三極管截止，電路如圖4（b）所示。從圖中可以得出電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈在P32的輸出端就會(huì)產(chǎn)生N個(gè)低電平。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來(lái)計(jì)算電機(jī)此時(shí)轉(zhuǎn)速了。例如當(dāng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，P32將輸出如圖5所示的脈沖波形。

圖4　測(cè)速電路

圖5　傳感器輸出脈沖波形

2.4蜂鳴電路

本設(shè)計(jì)中SW2按鍵可設(shè)置的電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。假設(shè)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速是每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)3000圈，即每秒鐘轉(zhuǎn)動(dòng)50圈。根據(jù)前面的分析，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈會(huì)產(chǎn)生N個(gè)低電平。經(jīng)測(cè)試，本設(shè)計(jì)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈有60個(gè)低電平，那么每秒就有3000個(gè)低電平，即輸出3000個(gè)脈沖信號(hào)。因此電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，如果產(chǎn)生的脈沖數(shù)低于3000，則P20口輸出低電平。反之，若電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的脈沖數(shù)高于3000，則P20口輸出高電平，從而使得三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。［3］電路如圖6所示。

圖6　電機(jī)報(bào)警電路

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1主流程圖

前面是對(duì)電機(jī)控制裝置的硬件部分的設(shè)計(jì)，要想使得控制裝置能按照要求正常工作，需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，具體的流程圖如圖7所示。

3.2軟件編程的設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)用C語(yǔ)言進(jìn)行了簡(jiǎn)單編程，運(yùn)用單片機(jī)對(duì)顯示模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描編程，將從鍵盤得來(lái)的高低電平信息進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的信號(hào)。51單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)則是使用定時(shí)器1、0控制PWM信號(hào)的頻率，定時(shí)器T1控制PWM信號(hào)的占空比。本程序啟用了兩個(gè)定時(shí)器T0，T1，分別應(yīng)用了兩個(gè)中斷服務(wù)程序，T1的定時(shí)方式要根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小而定。程序中，T0工作于方式1，因?yàn)榉绞?能夠通過修改定時(shí)器初值得到較寬頻率范圍的信號(hào)，使用定時(shí)器T1控制PWM信號(hào)的占空比，采用查詢方式嵌套在定時(shí)中斷服務(wù)子程序中，在T1定時(shí)器時(shí)段使輸出端為高電平，其它時(shí)段輸出低電平。［4］

編寫程序時(shí)要采用一段延時(shí)程序，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用了5個(gè)鍵盤，在使用鍵盤時(shí)應(yīng)先去抖動(dòng)，還應(yīng)考慮到按鍵釋放的問題，而且要注意顯示數(shù)字的編碼不要錯(cuò)誤。假設(shè)將TH0=0x00，TL0=0x00，TH1= 0x80，TL1=0x00。那么當(dāng)程序編譯無(wú)誤后，按下啟動(dòng)鍵，會(huì)在示波器上顯示出方波。將產(chǎn)生的脈沖送到P1-0，由其提供給電機(jī)使其轉(zhuǎn)動(dòng)。通過改變T0可以改變頻率的大小，改變T1可以實(shí)現(xiàn)改變占空比的大小，即可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。也可以通過鍵盤來(lái)改變T0，T1，只需要在加鍵與減鍵的控制程序上稍加改動(dòng)即可完成。［5］

圖7　系統(tǒng)程序框圖

［1］李廣弟.《單片機(jī)基礎(chǔ)》.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.8-10

［2］翟玉文等.《電子設(shè)計(jì)與實(shí)踐》.中國(guó)電力出版社，2005.5

［3］康華光主編《電子技術(shù)基礎(chǔ)》〈模擬部分〉，高等教育出版社第五版，2006.1

［4］李洋，張曉燕，田曉平編.EDA技術(shù)實(shí)用教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.7

［5］李國(guó)洪，沈明山，胡輝.可編程器件EDA技術(shù)與實(shí)踐［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.7

At present，the governor of the motor is basically used the frequency conversion speed regulation，the use of power semiconductor devices to switch off the power frequency power conversion to another frequency of power control device.We now use the converter mainly adopts the AC-DC-AC mode（VVVF inverter or variable frequency vector control），the first AC power into DC power supply through the rectifier，then the AC power into DC power supply frequency and voltage can be controlled by the supply of electric motive.And we are studying the laboratory，we hope to be able to integrate the various disciplines，but also suitable for our ability level. Therefore，the design of the DC motor has speed control，reversing and over speed alarm functions.

倪波，應(yīng)天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，機(jī)信系學(xué)生。