基于单片机的直流电机调速系统设计与实践

黄桂梅, 刘永立, 邵联合

(保定电力职业技术学院，河北 保定　071051)



基于单片机的直流电机调速系统设计与实践

黄桂梅, 刘永立, 邵联合

(保定电力职业技术学院，河北 保定071051)

直流电动机具有良好的起动、制动性能，用于大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反转的电力拖动领域中得到了广泛的应用，从控制的角度来看，直流电机的调速是交流拖动系统的基础。针对直流电机转速的测量与自动控制，尝试采用AVR单片机来实现直流电机调速系统，通过对硬软件进行了设计和实践，直流电机调速系统达到了预期效果，可以降低投资成本，减少功耗，提高控制的灵活性。

转速检测;光电耦合;PI调节;偏差限幅;积分分离;保护措施

0　引　言

目前电力拖动在工矿企业、交通运输等领域应用广泛，其中直流电机具有较好的启动性和可控性，但是其调速则是一个重要应用课题。一般电动机的自动调速系统多采用DCS、PLC等计算机控制系统，也有采用通用或智能式PID调节器仪表以及变频器来实现[1]。上述方式尽管技术成熟，运行可靠，但成本高、硬件部分非常复杂、功能单一、系统不灵活、调试困难、功耗大，阻碍了直流电机控制技术的发展和应用推广。为此提出了采用单片机来实现的直流电机调速系统，以简化结构，降低成本，更加智能化，提高可靠性和灵活性。

1　直流电机调速系统硬件组成

图1　转速自动控制系统硬件框图

如图1所示，为转速自动控制系统硬件框图，图中采用了AVR单片机中的mega16芯片作为中央控制单元，本系统除了设有必要的按键输入和数码显示电路外，其转速的检测与控制主要有输入和输出两个通道组成。输入通道：由图中右上侧的转速传感器、光电隔离电路组成，用来实现转速信号的采集，并把采集到的信号转化为电脉冲信号通过光电隔离电路送到单片机的PB1口(计数器T1口)。输出通道：主要由光电隔离电路、调压模块、直流电机组成；单片机将处理好的信号，通过PB3(ORC0)口以脉宽调制方式通过光电隔离电路送到调压模块的输入端，再由调压模块驱动电机进行转动。其中输出通道和输入通道采用光电隔离的目的是切断控制器与被控设备直接的电气联系，增加控制系统的抗干扰能力[2]。

1.1输入通道

输入通道主要作用是进行转速测量。目前测量转速的方法分数字式和模拟式两类。数字式通常采用光电感应元件或磁电感应(磁阻式或霍尔式)元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。

图2　漫反射式转换电路框图与对应的波形

图3　转速检测的光电隔离电路

数字式中的光电传感器其主要类型有漫反射方式和对射方式两种，其中漫反射方式安装更方便。图2为采用的漫反射方式的转换电路及对应的波形。在电机转轮上涂有黑白相间的条格。如果显示周期为1秒时，涂有12条格的显示分辨率为60/12=5，即是在该分辨率下只能显示间隔为5的转速如5 r/min、10 r/min、15 r/min、20 r/min～2 990 r/min、2 995 r/min、3 000 r/min，涂有60条格的分辨率为60/60=1，则能显示间隔为1的转速如1 r/min、2 r/min、3 r/min、4 r/min～2 998 r/min、2 999 r/min、3 000 r/min，可见条格多分辨率高，但对光电探头的频率响应要求也高。例当电机转速达到3 000 r/min时，60个条格的频率为fn=50×60=3 000 Hz。光电检测适用于实验室或对环境要求较高的场合，对于一般场合多采用磁电传感器，但磁电传感器需加工带有凸凹的齿轮盘(如图2虚线部分)且安装在转轴上。在加工和安装上都会增加一定难度，模拟式传感器多采用测速发电机，为了便于光电隔离需将模拟信号通过V/F转换成脉冲信号[3]。如图1虚线所示。光电隔离电路如图3所示，光耦集成块采用线性好的PC817。图3右下侧为输入端与测速传感器连接给出脉冲信号，R102为输入端发光二极管的限流电阻。输出端为光电三极管，集电极接入单片机的PB1专用计数器T1口。

1.2输出通道

图4　输出信号的光电隔离电路

如图1所示输出通道的主要作用是根据单片机给出的数字信号来控制电机的转速。输出通道的光电隔离同输入通道的光电隔离选用相同的光耦集成块PC817。图4所示为输出信号的光电路隔离电路；光耦块输入端接收单片机给出的0 V～5 V的脉宽调制信号。因为脉宽调制信号是通过占空比来改变输出电压的大小，这样在驱动光耦块中的发光二极管时总是工作在饱和或截止状态，从而克服了发光二极管的非线性对输出控制信号的影响。电位器RW1和电阻R2串联构成光耦发光二极管的限流电组，调RW1可改变输出信号光电流的强度，从而使受控的调压模块的输出电压在允许的可控范围内。电位器RW2可微调输出电流的启控点。

调压模块一般采用晶闸管移相控制电路[4-5]，调压模块输入端受光耦块中光电三极管电流的控制而改变输出电压的大小，根据电压的大小来控制直流电机转速的快慢。

1.3控制面板设计

图5　控制面板设计

控制面板布局安排力图简约，以方便使用，降低误操作的几率。如图5所示,四个1英寸数码管用来显示四位转速值及控制参数，按钮AN1用来功能切换：转速值→设定值→控制值→手自动切换状态…循环.。其中“设定值”、 “手自动状态值”仅维持3 s，“ 控制值”维持30 s超过后自动返回显示转速值。按键AN2用来进行参数调整：操作时通过“点按”和“按住”加以区分。XD电源指示灯，S1总机电源开关。V可控回路电压表DC 0～220 V，可控回路电流表DC 0～20 A。

2　转速显示及操作流程

图6　转速显示及操作流程图

转速显示及操作流程见图6所示。一般控制器操作参数根据工作性质分一级和二级参数，比例带δ_xx(xx：0～99%)、积分时间t_xx(xx：0～99 s)为二级参数；定值信号/n xxx(10.0～30.0)×100,控制信号k_xx(xx：0～99%)、手自动切换A_on或A_ok为一级参数；二级参数需由专业人员调整；一级参数由现场工作人员使用。一般二级参数一次性调好后无需调整。如要调整，则在开机前先按住AN1然后再拨动电源开关S1即可。

3　转速负反馈闭环调速系统

图7　中断控制程序流程图

单片机构成的转速负反馈闭环调速系统是根据转速给定值sv与转速值pv进行比较，取得偏差e值，并根据偏差值e的性质进行数学运算，然后将运算的结果转换成一个有效的数字量来控制调压模块的电压，从而间接控制直流电机的转速。调节的效果与调节运算规律有着直接关系，在实践中转速调节常采用比例-积分的PI调节规律。另外单片机的闭环控制主要体现在定时中断的程序编制中，定时中断是实现转速检测、脉宽调制输出和实现PI调节规律的关键程序[6]。其流程图见图7所示。由于转速显示的周期和自动调节的采样周期都定为1 s。所以1 s的时间要精确，否则将直接影响测速的准确性和调节输出的效果。故该时间可由外晶振来保证。

4　自动控制系统的软件保护措施

除了硬件要加过流过压保护措施外，软件设计上也要考虑保护措施，软件先于硬件。硬件应作为软件后备保护。在软件设计中可以考虑如下几种保护：

(1) 检测回路断线保护：如果投入自动时，控制器已给出控制信号，但转速总为零，偏差总是很大，输出信号会迅速增长，这样造成电机严重过载。因此当“自动”与“转速零”与“输出40%”条件同时满足时，编制保护程序：① 使系统发出报警信号② 将输出至零③ 程序锁死只能断电重启。

(2) 检测回路异常保护：在实践中经常会出现测速探头没有固定好产生震动错位时会出现转速值远远小于控制器输出值的不正常现象，为此当转速值小于3 000 r/min×30%=900 r/min而输出控制值已大于60%时，编制程序让上述保护程序动作。

(3) 超速保护：超速值可根据实际情况进行设定，即当转速大于3 000 r/min×95%=2 850 r/min时使上述保护程序动作。

(4) 过流截止型保护：将调压模块的输出经分流器检出电流信号，经转换比较电路变换后送到单片机的一个I/O口中进行程序判断；即当电流超过规定值后该口电平被拉低使保护程序动作。

5　结束语

通过实践检验证明，上述采用单片机实现的直流电机调速系统完全能够达到预期的效果，具有调节效果好，成本低、设备简单，功耗低、灵活性强、安装便捷等优点。适合于转速负荷相对稳定的场合，如院校实训室及一般生产单位的转速自动控制系统，对企事业的小型生产过程自动调节系统的单片机智能设计也有一定的参考价值。对于转速负荷变化大的场合，可引入与转速负荷有关联的电流信号作为辅助反馈信号参与偏差计算，或构建一个具有转速调节和电流调节的串级双闭环回路来进一步稳定调节系统。

[1] 史国生.交直流调速系统[M]北京. 化学工业出版社,2006.

[2] 吕强.单片机应用系统的抗干扰技术[J].科技信息,2007,24(1):68-69.

[3] 杨靖.用单片机控制的直流电机调速系统 [J].机床电器, 2008,35(1):45-47.

[4] 涴喜明.电力电子技术[M].北京: 高等教育出版社, 2004.

[5] 栗书贤.电力电子技术实验[M].北京:机械工业出版社,2004.

[6] 卢春华，姚海燕，张莉. 基于单片机的直流电机调速系统设计[J].硅谷， 2009,8(20):32-34.

Design and Practice of a DC Motor Speed Control System Based on the Single-chip Microcomputer

HUANG Gui-mei, LIU Yong-li, SHAO Lian-he

(Baoding Electric Power Vocational and Technical College, Baoding Hebei 071051, China)

With its excellent start-up and brake performance, the DC motor can realize smooth speed control over a wide range, thus finding an extensive application in the electric drive field where speed control and rapid inversion is required. In terms of control, the DC motor speed control is the base of the AC drive system. With respect to the speed measurement and automatic control of the DC motor, the paper tries to use an AVR single-chip microcomputer to realize DC motor speed regulation. Through design and actual use of the software and hardware, the DC motor speed control system is proved to achieve the expected effects. It can reduce the cost of investment, cut down power consumption and improve control flexibility.

speed detection; photo-coupling; PI adjustment; deviation limit; integral separation; protection measure

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.001

TP273

A

1000-3886(2016)01-0001-02

黄桂梅(1967-),女,江西南康人、教授、硕士学位、研究方向：单片机应用技术、电子应用技术、检测与控制技术。

定稿日期: 2015-05-09