基于单片机的直流电机控制系统设计

刘玉刚

摘 要 在工业生产中，随着现代技术的不断创新，电力电子技术已经得到广泛的发展，其技术也已应用到各个行业中。在各类机电系统中，因为直流电机具有良好的启动、制动和调速性能，所以直流电机调速系统已全面运用于航空、工业领域的各个方面。

关键词 AT89S52单片机；数字PID；PWM脉冲

中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0041-01

电动机在当今社会的工业生产中，是主要的驱动设备，尤其是直流电动机，因为它的平滑调速性和结构上的简单，所以成为了许多电器，比如吸尘器，空调等的驱动。但对于直流电机的控制，最流行的是采用可控硅装置向电动机供电，即KZ—D拖动系统。起初的控制系统是发电机—电动机系统，非常的笨重。随着电力电子技术的飞跃发展和单片机的成熟使用，使得直流电机调速系统从模拟化向数字化转变。而PWM脉宽调制，是现在应用最成熟的方法。它来源于电力电子的桥式电路，通过单片机可进行简单的模拟，而将它们结合起来，由电力电子元件组桥进行方向控制，而由单片机产生PWM波控制晶闸管的门极。调节占空比就能够控制电机的平均电压，从而控制电机的转速。

1 系统方案的设计

1.1 方案设计思想及原理

如今电机在工业生产，装备制造中的应用十分广泛，而其速度控制对不同的生产过程至关重要。本设计就是基于单片机的直流电机转速控制，控制算法采用数字PID调节技术。该系统以AT89S52单片机为核心，其输出占空比可调的PWM波，进而实现对直流电机转速的控制。霍尔传感器将电机的速度转换成脉冲频率以后作为闭环控制系统的反馈信号，从而达到转速的无静差调节。系统通过数码管来显示电机的转速，并通过键盘设置调节转速和正反转。

1.2 方案论证比较

1）控制器模块的选择。

结合本次设计任务要求，可以清晰的知道控制器模块所要进行的工作为，产生一个PWM脉冲而这个脉冲的占空比还要受到数字PID算法的控制，并且还要对速度检测模块传来的数据进行处理与采集，再通过数字PID算法运算得出当前所需的占空比脉冲信号。

2）电机驱动模块的选择。

对于电机驱动有以下两种方案。

方案一：采用专门的电机驱动芯片，目前这类芯片已相当成熟。其抗干扰能力，安全性、可靠性都很高，应用时只需将其与其他元件正确连接即可。

方案二：采用大功率的晶体管组合电路构成驱动电路，这种方案虽然结构简单，成本低，但是电路结构复杂，模拟电路本身抗干扰能力差、可靠性也低。

因此，从实际情况的角度考虑，本次设计的电机驱动模块采用方案一。

3）速度采集模块的选择。

本次设计是一个闭环的控制系统，需要把速度采集模块采集的电机转数与设定值比较，进而调节电机转速。对于速度采集模块的设计方案有以下两种：方案一：采用霍尔传感器；方案二：采用对射式光电传感器。

1.3 总体方案设计

根据任务要求，设计出的系统总体方框图。其中控制器模块为本次系统的核心，在电机启动转动的过程中单片机输出的PWM脉冲信号输送给电机驱动模块，然后经过放大后控制直流电动机的转速；反馈环节，利用速度检测模块获取此时电机的转速；运用数字PID算法改变PWM脉冲信号的占空比，从而就实现了电机转速控制的目的。而键盘模块与显示模块可以用来人和机器的互动功能，可以通过键盘模块把想要设置的转速及状态输送给控制模块，还可以通过显示模块显示到数码管上面。

主要模块功能如下：

1）单片机与霍尔模块：此模块主要通过霍尔传感器对电机旋转圈数进行检测，在其输出端形成一系列矩形波，送给单片机AT89S52计数器0进行计数，再由单片机AT89S52的P0口送到显示模块进行显示。

2）键盘模块：由于本系统需要控制电机转速，所以需要对单片机进行输入所设置的参数并输出测得的速度显示在数码管上，因此设计了一个键盘电路来满足系统的功能。接入七个按键到P10、P11、P12、P13、P14、P15这几个端口，当按下其中一个按键时，对应的P1端口就会变为低电平，而在软件设计编程的时候就可以利用这个低电平来设计它所需实现的功能。

3）数码管显示模块：本次设计需要显示设置的电机速度以及实时的电机速度，为此设计了数码管显示电路来进行系统的显示。数码管显示电路采用的是动态显示的方法，系统所测得的结果经过单片机P0端口的输出，通过单片机P2端口的输出位扫描信号来得到测量数据的动态扫描显示。

2 软件模块的设计

2.1 软件的设计思想

本系统软件可由C语言编写，编译链接后下载到AT89S52中运行，软件能够实现本设计的功能要求，程序通过键盘信号采集、时序生成和对延时计数器赋值来产生符合要求的控制

信号。

2.2 主程序的设计

按照要求可设计出了系统主程序流程。

2.3 按键功能部分

将键盘划分为执行、增速、减速、正转，反转等。当执行键按下，则电机开始工作，启动时设置速度为默认速度，可以通过增速、减速两个键来更改设定速度，最终由单片机通过PID算法来控制电机转速接近设定值。同时，电机的正反转也可以通过键盘来控制。

2.4 数码管显示部分

数码管显示流程图，分别送命令和数据，最后显示。

3 结论

1）通过按键输入所需转速值到单片机，然后单片机产生占空比可调的PWM脉冲来调节直流电机的转速。

2）当实物制作结束后，发现不能实现预期功能，原因出现在制作过程中电机驱动模块没有进行预先调试。

3）系统运行稳定，可以方便地用于直流电机的调控，为后续产品研发做好基础。

4）如若进一步研究本课题，可以研究其他的电机以及速度采集模快。

参考文献

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[2]刘和平，王维俊，江渝，等编著.TMS320LF240x DSP C语言开发应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

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