史展

【摘 要】直流電機得到了廣泛的應(yīng)用，但是其在應(yīng)用過程中存在抗干擾性較差等缺點，因此在運行過程中對環(huán)境有著很高的要求。在單片機直流電機控制器設(shè)計的基礎(chǔ)上，制定了相應(yīng)的控制方案，直流電機控制器主要包括的內(nèi)容有，選擇單片機，設(shè)計直流電機控制系統(tǒng)，方案的制定主要從硬件電路的設(shè)定和單片機直流控制原理兩方面入手，最終實現(xiàn)對單片機直流電的合理控制。

【關(guān)鍵詞】單片機；直流電機；控制

1 概述

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展以及科學技術(shù)的不斷快速提高，我國逐步完成由農(nóng)業(yè)大國向工業(yè)大國的轉(zhuǎn)變，社會現(xiàn)代工業(yè)自動化化水平不斷提升。在當前社會的機械、冶金、石化、國防等工業(yè)部門中，電動機作為能量轉(zhuǎn)換的傳動裝置被廣泛應(yīng)用。隨著工業(yè)水平的快速提升，人們對產(chǎn)品的質(zhì)量和制作工作水準要求越來越高，這就使得人們對于工業(yè)生產(chǎn)者電動機的運轉(zhuǎn)控制要求越來越精細?；趩纹瑱C的電動機控制，不僅可以利用單片機信號精密準確的特點，而且可以實現(xiàn)電動機的自動化控制，使得電動機在單片機程序的控制下，穩(wěn)定準確地帶動生產(chǎn)設(shè)備來完成工業(yè)加工。因此，對于單片機的學習以及直流電機的工作原理的學習與研究，對于單片機控制直流電機運轉(zhuǎn)來實現(xiàn)工業(yè)自動化具有非常重大的實用價值和現(xiàn)實意義。

2 基于單片機的直流電機控制器設(shè)計

2.1 單片機的選擇

根據(jù)需求，本文選取的PIC單片機與其他單片機相比其有如下特點：1）使用哈佛總線結(jié)構(gòu)，從而有了更多的技術(shù)保障，確保了工作工程中的各項指令能得到很好的執(zhí)行；2）同其他單片機相比，PIC單片機尋址方式更少，所以PIC單片機尋址操作使用會更加方便；3）同其他單片機相比，PIC單片機能夠存放的指令更多，可以達到一千余條，儲存能力強，同時還可以節(jié)省程序存儲空間，PIC單片機與其他單片機相比功能會更加的強大，引腳會更少，它能夠直接帶動LED負載。同時，PIC單片機具有構(gòu)造簡單、抗干擾能力強等幾個方面的優(yōu)點。

2.2 基于單片機直流電機控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

PIC單片機在直流電機多速控制器系統(tǒng)中，它是系統(tǒng)的“大腦”，承擔著核心的角色。對PIC單片機的設(shè)計可以通過鍵盤輸入運行參數(shù)來實現(xiàn)。比如通過運行電路參數(shù)、顯示電路參數(shù)、D/A轉(zhuǎn)換電路參數(shù)等等來完成PIC單片機的設(shè)計。本文設(shè)計的基于單片機技術(shù)的直流電機控制器采用分辨率為1024的數(shù)字MR編碼器，其型號為L。由于在實際運行中單片機I/O口的限制，額外增加了外圍硬件確保對于運行過程中的段位進行顯示，同時在設(shè)定時間、轉(zhuǎn)速以及實際測量轉(zhuǎn)速上做到有效的干預。該系統(tǒng)運用RS-232串行通信，波特率設(shè)定在192000bps，系統(tǒng)的構(gòu)成方式為4×4行列式鍵盤，鍵盤包括：0到9十個數(shù)字鍵、確認鍵、退出鍵、設(shè)置鍵、返回鍵等等。

3 直流電機的工作原理

電動機是將電能轉(zhuǎn)化成動能的專業(yè)設(shè)備，而直流電動機則是以直流電為驅(qū)動電源的一種旋轉(zhuǎn)設(shè)備，通過內(nèi)部的磁極、電刷、鐵芯、繞線組等構(gòu)成的定子和轉(zhuǎn)子，將直流電轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的磁場，通過磁場作用產(chǎn)生動力。直流電機的定子是固定的，上面有兩個固定的永久磁鐵，電刷則是與電源直接連通，當有直流電通過時，電刷連接轉(zhuǎn)子繞線組形成回路，電流通過產(chǎn)生磁場，該磁場與定子永久磁鐵的磁場相互作用，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。特別的，在直流電機中有一個換向器設(shè)備，在轉(zhuǎn)子在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，由于電刷位置固定，即電流流向的方向，經(jīng)電刷處是固定的，而轉(zhuǎn)子的線圈旋轉(zhuǎn)過半時，繞線組的方向就會發(fā)生變化，如果電刷中的電流方向不變化，那么轉(zhuǎn)子此時產(chǎn)生的磁場與定子磁場的作用力，與上半圈電流流經(jīng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場與定子磁場的作用力正好相反，那么此時轉(zhuǎn)子就會向反方向提供作用力，電機將不會旋轉(zhuǎn)，所以換向器的作用就保證了流經(jīng)繞線組的電流產(chǎn)生的磁場與定子磁場之間的作用力始終是一致的，從而源源不斷的磁場作用力就能使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。最終形成的效果就是，如果提供的電源電流方向不變，轉(zhuǎn)子方向就不會發(fā)生變化，即電機旋轉(zhuǎn)方向不變，改變電流方向，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，電機旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化。

4 單片機控制直流電機

4.1 PWM技術(shù)

PWM技術(shù)的核心技術(shù)就是生成方波，然后調(diào)整其不同的占空比和方向來實現(xiàn)對直流電機控制電流的調(diào)整和改變。PWM技術(shù)應(yīng)用在單片機控制電動機方面應(yīng)用十分廣泛，由于PWM脈沖信號為方波，屬于數(shù)字信號，單片機很容易通過專門的輸入輸出端口或者通過有序地控制二極管通連情況，來生成PWM脈沖信號。

4.2單片機控制直流電機框架

單片機控制直流電機的電路框架分為三部分，分別是人機交互接口的鍵盤控制電路，單片機核心控制電路，直流電機驅(qū)動和工作電路。其中，鍵盤控制電路提供了外部接口能夠方便使用者對單片機輸入控制信號，如開機、加速、減速、換向、關(guān)機等。單片機核心控制電路主要是讀取鍵盤區(qū)域的外部控制信號、處理內(nèi)部邏輯運算、生成PWM脈沖信號等。直流電機控制電路主要是接受單片機輸出的PWM脈沖信號，并對其進行電壓放大和功率放大的處理，使其能夠滿足直流電機的正常運轉(zhuǎn)的功率需求

4.3單片機控制流程

當外部用戶按下開機鍵時，單片機開始工作，數(shù)據(jù)初始化，電動機控制芯片或者電路使能，數(shù)據(jù)初始化工作不僅包括單片機正常的數(shù)據(jù)初始化，還包括對內(nèi)部定時器/計時器的設(shè)置、輸入輸出端口的設(shè)置等等。當用戶按下加速按鈕，單片機產(chǎn)生默認方向的PWM脈沖信號，占空比為相對較小的單位，此PWM脈沖信號輸出到直流電機控制電路，通過轉(zhuǎn)換進行放大處理，驅(qū)動直流電機工作。當用戶繼續(xù)按下加速按鈕時，單片機讀取此信號，繼續(xù)改變PWM脈沖信號占空比，脈沖信號的高電壓比例增加，直流電機產(chǎn)生的磁場作用力時間變長，速度提升。當用戶按下減速按鈕時，單片機接收到此信號，減小PWM脈沖信號一個周期內(nèi)的占空比，直流電機受到的作用力時間減少，速度降低。當用戶按下反向按鈕時，相反地，只需要改變PWM脈沖信號的方向即可實現(xiàn)直流電機的轉(zhuǎn)向。

改變PWM脈沖信號占空比的方法有很多，如果使用二極管產(chǎn)生脈沖信號，可以采用定時器/計數(shù)器方式，對高電壓與低電壓的固定時間進行定時即可。特別的，為了能夠減少直流電機的損耗，在對直流電機的旋轉(zhuǎn)方向進行控制時，一定要在相對低速的情況下改變方向，這樣對直流電機來能夠起到保護作用。

5 結(jié)語

單片機直流電機在應(yīng)用過程中所扮演角色非常重要，在應(yīng)用過程中需要加強對其的控制，只要通過不斷的研究，掌握了控制過程中的重點內(nèi)容，才能得到優(yōu)秀的控制算法和清晰的設(shè)計思路，從而得到合理的控制方法，使直單片機直流電機的控制變得更加科學合理。

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（作者單位：天津理工大學電氣電子工程學院）