实验室电机调速控制装置的设计

倪　波，陆苗霞

应天职业技术学院

实验室电机调速控制装置的设计

倪波，陆苗霞

应天职业技术学院

目前用的电机调速器基本采用的是变频调速，利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。而我们研究的是实验室用，希望能综合各门学科，又适合我们的能力水平的。本文设计的是直流电动机的调速，正反转及过速报警等功能。

电机；调速；控制

注：江苏省大学生实践创新项目，项目编号：201512680004Y。

1　绪论

电机技术这门课程学习的过程中，由于实验设备的缺乏，对电机的转速及正反转的学习只基于理论的学习，没有实际的电机进行这方面的调试，因此在学习的过程中觉得离真正理解还有一定的距离。因此就选择了实验室电机控制装置的设计与制作作为大学生实践创新项目。本项目主要是利用单片机技术建立一个电机的控制模型，让电机达到如下效果：

（1）数码显示电机转速；

（2）按键控制电机的加速和减速；

（3）电机的正反转控制；

（4）电机转速如果过快进行报警设置等功能。

2　设计方案

本设计主要是包含硬件和软件两部分。硬件方面是以89C51为主要核心，配合显示模块、键盘模块、控制模块、红外对管测速计数和蜂鸣器等模块。［1］软件上通过用C语言编程产生PWM脉冲信号的输出。当用键盘输入速度既定值，装置自动按既定值进行跟踪，然后利用数码显示器显示出来，最后再由单片机输出PWM脉冲信号。测速电路可以把电机的转速传输给CPU，然后CPU把电机的转速显示在数码显示品上。如果电机的转速超过限定值，则电机会发出报警声。通过键盘上的反转按钮可以使得电机反转，正转按钮实现电机的反转。

2.1LED显示的设计

本设计中采用四位数码显示管进行显示，如图1所示。LED数码管有共阴极和共阳极两种，本设计采用的是四位共阴极的数码显示管，动态显示驱动，它是单片机应用中最广泛的一种显示方式。所有数码管的显示笔划包括小数点共8位，全部连在同一段，公共端增加位选通控制电路，由单独的输入输出口来控制，分别是P24-P27四个端口。我们根据需要，让需要显示的数码管的选通端打开，该为就会显示出数字。通过轮流使选通端有效，实现数码管的顺序显示，就是动态驱动。

图1　LED显示电路

2.2键盘的设计

在图2中，一个复位按键加上五个控制按键组成一个简易的控制键盘。其中的五个控制部分的线路分别与单片机的P32-P37口相连，另一端直接接地。通过按键的选择来实现对电机的控制。SW2开关是用来设置报警的上限数值，SW3是实现电机加速，SW4是实现电机减速，SW5是实现电机启动停止的功能，SW6是实现电机的正反转功能。当有按键按下时与单片机相连的引脚就会出现低电平，这样CPU就能判断是否有按键按下。

图2　键盘简易电路

2.3红外对管测速计数电路设计

本设计中采用红外对电机的转数进行计数，从而达到记录电机速度的功能，具体电路如图3所示。

图3　红外测速计数电路

即在电机转动轴上固定一圆盘，圆盘上可有通光槽，在圆盘两侧设置发光元件和受光元件，电机转动时，受光元件周期性受到光照，产生电脉冲，在一定时间内对脉冲进行计数，就可以换算出电机转速。电机的测速方式有光反射法、磁电法、光栅法和霍尔开关检测法。本设计中由于成本的限制，采用了性价比比较好的的光栅法来实现。［2］在电机的转动轴上固定一个圆盘，它的边缘上有N个等分凹槽，即通光槽，如图4（a）所示。在圆盘的一侧固定一个发光元件，本设计中用的是发光二极管，让它的位置对准凹槽处。在另一侧和发光二极管平行的位置上固定一个受光元件，本设计中选用的是光敏的三极管。如果电机转动到凹槽处，发光二极管通过缝隙将光照射到光敏三极管上，三极管导通，反之三极管截止，电路如图4（b）所示。从图中可以得出电机每转一圈在P32的输出端就会产生N个低电平。这样就可根据低电平的数量来计算电机此时转速了。例如当电机以一定的转速运行时，P32将输出如图5所示的脉冲波形。

图4　测速电路

图5　传感器输出脉冲波形

2.4蜂鸣电路

本设计中SW2按键可设置的电机的最高转速。假设电机的最高转速是每分钟转动3000圈，即每秒钟转动50圈。根据前面的分析，电机转动一圈会产生N个低电平。经测试，本设计电机每转动一圈有60个低电平，那么每秒就有3000个低电平，即输出3000个脉冲信号。因此电机在转动的过程中，如果产生的脉冲数低于3000，则P20口输出低电平。反之，若电机转动产生的脉冲数高于3000，则P20口输出高电平，从而使得三极管导通，蜂鸣器发出报警声。［3］电路如图6所示。

图6　电机报警电路

3　软件设计

3.1主流程图

前面是对电机控制装置的硬件部分的设计，要想使得控制装置能按照要求正常工作，需要对单片机进行编程，具体的流程图如图7所示。

3.2软件编程的设计思路

本设计用C语言进行了简单编程，运用单片机对显示模块进行动态扫描编程，将从键盘得来的高低电平信息进行处理，得到相应的信号。51单片机产生PWM信号则是使用定时器1、0控制PWM信号的频率，定时器T1控制PWM信号的占空比。本程序启用了两个定时器T0，T1，分别应用了两个中断服务程序，T1的定时方式要根据电机转速的大小而定。程序中，T0工作于方式1，因为方式1能够通过修改定时器初值得到较宽频率范围的信号，使用定时器T1控制PWM信号的占空比，采用查询方式嵌套在定时中断服务子程序中，在T1定时器时段使输出端为高电平，其它时段输出低电平。［4］

编写程序时要采用一段延时程序，本实验应用了5个键盘，在使用键盘时应先去抖动，还应考虑到按键释放的问题，而且要注意显示数字的编码不要错误。假设将TH0=0x00，TL0=0x00，TH1= 0x80，TL1=0x00。那么当程序编译无误后，按下启动键，会在示波器上显示出方波。将产生的脉冲送到P1-0，由其提供给电机使其转动。通过改变T0可以改变频率的大小，改变T1可以实现改变占空比的大小，即可以改变电机的转速。也可以通过键盘来改变T0，T1，只需要在加键与减键的控制程序上稍加改动即可完成。［5］

图7　系统程序框图

［1］李广弟.《单片机基础》.北京：北京航空航天大学出版社，2001.8-10

［2］翟玉文等.《电子设计与实践》.中国电力出版社，2005.5

［3］康华光主编《电子技术基础》〈模拟部分〉，高等教育出版社第五版，2006.1

［4］李洋，张晓燕，田晓平编.EDA技术实用教程［M］.北京：机械工业出版社，2004.7

［5］李国洪，沈明山，胡辉.可编程器件EDA技术与实践［M］.北京：机械工业出版社，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，应天职业技术学院，机信系学生。