基于单片机的直流电机控制

史展

【摘  要】直流电机得到了广泛的应用，但是其在应用过程中存在抗干扰性较差等缺点，因此在运行过程中对环境有着很高的要求。在单片机直流电机控制器设计的基础上，制定了相应的控制方案，直流电机控制器主要包括的内容有，选择单片机，设计直流电机控制系统，方案的制定主要从硬件电路的设定和单片机直流控制原理两方面入手，最终实现对单片机直流电的合理控制。

【关键词】单片机;直流电机;控制

1 概述

随着国民经济的快速发展以及科学技术的不断快速提高，我国逐步完成由农业大国向工业大国的转变，社会现代工业自动化化水平不断提升。在当前社会的机械、冶金、石化、国防等工业部门中，电动机作为能量转换的传动装置被广泛应用。随着工业水平的快速提升，人们对产品的质量和制作工作水准要求越来越高，这就使得人们对于工业生产者电动机的运转控制要求越来越精细。基于单片机的电动机控制，不仅可以利用单片机信号精密准确的特点，而且可以实现电动机的自动化控制，使得电动机在单片机程序的控制下，稳定准确地带动生产设备来完成工业加工。因此，对于单片机的学习以及直流电机的工作原理的学习与研究，对于单片机控制直流电机运转来实现工业自动化具有非常重大的实用价值和现实意义。

2 基于单片机的直流电机控制器设计

2.1 单片机的选择

根据需求，本文选取的PIC单片机与其他单片机相比其有如下特点：1）使用哈佛总线结构，从而有了更多的技术保障，确保了工作工程中的各项指令能得到很好的执行;2）同其他单片机相比，PIC单片机寻址方式更少，所以PIC单片机寻址操作使用会更加方便;3）同其他单片机相比，PIC单片机能够存放的指令更多，可以达到一千余条，储存能力强，同时还可以节省程序存储空间，PIC单片机与其他单片机相比功能会更加的强大，引脚会更少，它能够直接带动LED负载。同时，PIC单片机具有构造简单、抗干扰能力强等几个方面的优点。

2.2 基于单片机直流电机控制器系统结构设计

PIC单片机在直流电机多速控制器系统中，它是系统的“大脑”，承担着核心的角色。对PIC单片机的设计可以通过键盘输入运行参数来实现。比如通过运行电路参数、显示电路参数、D/A转换电路参数等等来完成PIC单片机的设计。本文设计的基于单片机技术的直流电机控制器采用分辨率为1024的数字MR编碼器，其型号为L。由于在实际运行中单片机I/O口的限制，额外增加了外围硬件确保对于运行过程中的段位进行显示，同时在设定时间、转速以及实际测量转速上做到有效的干预。该系统运用RS-232串行通信，波特率设定在192000bps，系统的构成方式为4×4行列式键盘，键盘包括：0到9十个数字键、确认键、退出键、设置键、返回键等等。

3 直流电机的工作原理

电动机是将电能转化成动能的专业设备，而直流电动机则是以直流电为驱动电源的一种旋转设备，通过内部的磁极、电刷、铁芯、绕线组等构成的定子和转子，将直流电转换成相应的磁场，通过磁场作用产生动力。直流电机的定子是固定的，上面有两个固定的永久磁铁，电刷则是与电源直接连通，当有直流电通过时，电刷连接转子绕线组形成回路，电流通过产生磁场，该磁场与定子永久磁铁的磁场相互作用，驱动转子旋转。特别的，在直流电机中有一个换向器设备，在转子在一个旋转周期内旋转时，由于电刷位置固定，即电流流向的方向，经电刷处是固定的，而转子的线圈旋转过半时，绕线组的方向就会发生变化，如果电刷中的电流方向不变化，那么转子此时产生的磁场与定子磁场的作用力，与上半圈电流流经转子产生的磁场与定子磁场的作用力正好相反，那么此时转子就会向反方向提供作用力，电机将不会旋转，所以换向器的作用就保证了流经绕线组的电流产生的磁场与定子磁场之间的作用力始终是一致的，从而源源不断的磁场作用力就能使转子旋转。最终形成的效果就是，如果提供的电源电流方向不变，转子方向就不会发生变化，即电机旋转方向不变，改变电流方向，转子旋转方向发生变化，电机旋转方向发生变化。

4 单片机控制直流电机

4.1 PWM技术

PWM技术的核心技术就是生成方波，然后调整其不同的占空比和方向来实现对直流电机控制电流的调整和改变。PWM技术应用在单片机控制电动机方面应用十分广泛，由于PWM脉冲信号为方波，属于数字信号，单片机很容易通过专门的输入输出端口或者通过有序地控制二极管通连情况，来生成PWM脉冲信号。

4.2单片机控制直流电机框架

单片机控制直流电机的电路框架分为三部分，分别是人机交互接口的键盘控制电路，单片机核心控制电路，直流电机驱动和工作电路。其中，键盘控制电路提供了外部接口能够方便使用者对单片机输入控制信号，如开机、加速、减速、换向、关机等。单片机核心控制电路主要是读取键盘区域的外部控制信号、处理内部逻辑运算、生成PWM脉冲信号等。直流电机控制电路主要是接受单片机输出的PWM脉冲信号，并对其进行电压放大和功率放大的处理，使其能够满足直流电机的正常运转的功率需求

4.3单片机控制流程

当外部用户按下开机键时，单片机开始工作，数据初始化，电动机控制芯片或者电路使能，数据初始化工作不仅包括单片机正常的数据初始化，还包括对内部定时器/计时器的设置、输入输出端口的设置等等。当用户按下加速按钮，单片机产生默认方向的PWM脉冲信号，占空比为相对较小的单位，此PWM脉冲信号输出到直流电机控制电路，通过转换进行放大处理，驱动直流电机工作。当用户继续按下加速按钮时，单片机读取此信号，继续改变PWM脉冲信号占空比，脉冲信号的高电压比例增加，直流电机产生的磁场作用力时间变长，速度提升。当用户按下减速按钮时，单片机接收到此信号，减小PWM脉冲信号一个周期内的占空比，直流电机受到的作用力时间减少，速度降低。当用户按下反向按钮时，相反地，只需要改变PWM脉冲信号的方向即可实现直流电机的转向。

改变PWM脉冲信号占空比的方法有很多，如果使用二极管产生脉冲信号，可以采用定时器/计数器方式，对高电压与低电压的固定时间进行定时即可。特别的，为了能够减少直流电机的损耗，在对直流电机的旋转方向进行控制时，一定要在相对低速的情况下改变方向，这样对直流电机来能够起到保护作用。

5 结语

单片机直流电机在应用过程中所扮演角色非常重要，在应用过程中需要加强对其的控制，只要通过不断的研究，掌握了控制过程中的重点内容，才能得到优秀的控制算法和清晰的设计思路，从而得到合理的控制方法，使直单片机直流电机的控制变得更加科学合理。

参考文献：

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[2]黄桂梅，刘永立，邵联合.基于单片机的直流电机调速系统设计与实践[J].电气自动化，2016，38（01）：1-2.

[3]王云慧，陈阳，谢东军.基于单片机的直流电机电压调速器的设计与实现[J].信息系统工程，2016（04）：45-45.

（作者单位：天津理工大学电力电子工程学院）