Ｌ－ｔｕｎ Ｃｈｕａｎｇ× ｎ 直流电机控制系统设计与实现 肖忠义 （包头长安永磁电机有限公司，内蒙包头０１４０３０） 摘要：分析了直流电机的主要优点，探讨了直流电机控制系统设计的目标与原则，重点对单片微机闭环速度控制电路的设计及相关循环 移位算法的使用，进行了深入研究，为实现对直流电机的高效控制提供了有益借鉴。 关键词：直流电机；控制系统；设计 与交流电动机相比，直流电机结构复杂、成本高、运行维护困 占空比的控制数。软件中还可进行显示线速度或角速度的转换计 难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能 算，由八位驱码驱动器带动ＬＥＤ数码管进行显示。预置速度由按 力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。无刷直流电机由于 键ｓ１、ｓ２输入，进行“＋”、“一’，ｊ空制，预置数也由ＬＥＤ数码管显示。 采用电子换向、ＰＷＭ调速，其在进一步提高直流电机性能的同时 ２０５１单片微机的上电复位使用了ＭＡＸ８１２电压监控器，上电 又克服了直流电机机械换向带来的一系列问题，从而大大延长了 时约有２００Ｉｌｌｓ的延迟，以保证复位正常进行。为了防止掉电后预 电机的使用寿命。直流电机的这些优越性能，使得其在家电、汽车、 置数丢失，使用备用电池保护２０５ｌ单片机片内ＲＡＭ数值 电源经 数控机床、机器人等领域得到广泛应用。对直流电机转速的控制既 变压整流后，一路经ＤＣ—ＡＣ开关电源输出５ ｖ直流电压给单片机 可以采用开环控制，也可采用闭环控制。与开环控制相比，速度控 系统供电，一路经三端稳压元件７８１２稳压输出１２ ｖ电压供驱动 制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开 大功率开关管使用。单片机系统电源与驱动电路部分电源隔离，以 环系统机械特性相比，其性能大大提高；当理想空载转速相同时， 提高系统工作的可靠性和安全性 闭环系统的静差率（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之 比）要小得多；当要求的静差率相同时，闭环调速系统的调速范围 ３使用循环移位的算法 可以大大提高。对直流电机控制系统进行科学的设计，可以充分发 笔者采用ＰＷＭ方法对直流电动机速度进行。ＰＷＭ是通 挥直流电机的优势，对提高机电产品的质量水平，具有十分重要的 过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压， 意义。 进而达到控制要求的一种电压调整方法。ＰＷＭ可以应用在许多方 面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在ＰＷＭ驱动控制的调整 １ 直流电机控制系统的设计目标与原则 系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一 直流电机控制系统是动力系统的“ＣＰＵ”，其具有十分重要的 个周期内“接通’’和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上 作用，对直流电机控制系统的设计必须要高度重视，准确把握系统 电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。 功能与性能要求，提高设计的质量。对于单向的电机驱动，只要用 因此，ＰＷＭ又被称为“开关驱动装置”。产生ＰＷＭ信号可以由定 一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电 时器来完成，但是由于５ｌ内部只提供了２个定时器，因此如果要 机需要双向转动时，可以使用由４个功率元件组成的Ｈ桥电路或 向３个或更多的直流电机输出不同占空比的信号就要反复设置定 者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器 时器，实现较为复杂，我们采用一种比较简单的方法不仅可以实现 即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实 对更多的直流电机提供不周的占空比输入信号，而且只占用一个 现ＰＷＭ（脉冲宽度调制）调速。对于ＰＷＭ调速的电机控制系统要 定时器资源。这种方法可以简单表述如下： 满足以下性能指标：输出电流和电压范围满足需要，它决定着电路 在内存的某段空间内存放各个直流电机所需的输入信号占空 能驱动多大功率的电机；效率高能耗低，要提高电路的效率，可以 比信息，如果占空比为ｌ则保存０ＦＦＨ（１１ｌ１１１１１Ｂ）；占空比为０．５ 从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（Ｈ桥或推挽电 则保存０Ｆ０Ｈ（１ｌｌ１００００Ｂ）或任何２进制数中包括４个０和４个１。 路可能出现的一个问题，即２个功率器件同时导通使电源短路）入 即： 手；功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电 占空比＝ｌ的个数／８ 流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔 若要对此直流电机输出ＰＷＭ信号，只要每个时间片移位一 离：关注对电源的影响，共态导通可以弓Ｉ起电源电压的瞬间下降造 次取出其中固定的一位（可以用位寻址或进位标志Ｃ实现）送到电 成高频电源污染，大的电流可能会导致地线电位浮动；同时，还要 机端口上即可。另外，移位算法是一种对以前结果依赖的算法，所 充分考虑系统的可靠性，以避免发生故障。 以最好定期检查或重置被移位的数，防止移错而导致一直错下去。 ２单片微机闭环速度控制电路 这种算法的优点是进程，可以实现对多个电机的控制，缺点是 占用资源较大，ＰＷＭ频率较低。 笔者设计系统的闭环控制选用低端单片机８９Ｃ２０５１，与带 ＰＷＭ输出的８０Ｃ５５２及８０Ｃ１９８相比，无需外扩ＥＰＲＯＭ，且价格 【参考文献】 低得多。２０５１单片机片内有２ Ｋ的ｆｌａｓｈ程序存储器，１５个Ｉ／Ｏ ［１］林蔚天．微机控制ＰｗＭ直流调速［Ｊ］．上海电机技术高等专科学 口，两路１６位的定时／计数器，指令及中断系统与８０３１兼容，给 校学报，２００１，１２（４） 闭环速度控制带来很大的灵活性。闭环速度控制中传感器选用霍 ［２］李玮，赵江，刘建业．一种实用的单片机控制的数字式调速系统 尔传感器，小磁钢固定在被测转轴上，每转一周输出一个脉冲信 ［Ｊ］．吉林化工学院学报，２００２。６（２） 号。转速脉冲信号经施密特触发器Ｕ６—１、Ｕ６－２整形后，输入到 ２０５１单片机的ＩＮＴＯ中断口Ｐ３．２端口上。软件设置ＩＮＴＯ为下降 收稿日期：２０１０－０２—２６ 沿中断，进入中断服务程序后开启定时／计数器０进行定时，测出 作者简介：肖忠义（１９６９一），男，内蒙人，机械工程师，研究方向：电 每转的周期，再由软件计算出控制值ｘ，由Ｐｌ端口输出ＰＷＭ波 机研究开发。 机电信息２０１０年第ｌ２期总第２５８期１８３
