浅析直流电动机调速系统的单片机控制

浅析直流电动机调速系统的单片机控制摘要：电力电子技术的发展促使直流电动机调速系统完成了从模拟化到数字化的转变历程，尤其是单片机技术的推广使得直流电动机调速系统到达另一个新高度，智能化、数字化显然成为了一种趋势。相较于交流电动机，直流电动机的调速原理比较简单，通过改变电动机电压即可实现调速。而改变电动机电压的办法却很多，最为常用的则是PWM脉宽调制。改变电动机的输入占空比可调控电动机的平均电压进而实现调速。近年来，将单片机引入到直流电动机调速系统中也使得该系统可利用软件技术实现多项控制功能，极大提升了直流电动机控制的灵活性。本文将以直流电动机调速系统的单片机控制作为研究对象，重点讨论直流电动机调速系统单片机控制的设计思路。关键词：直流电动机；调速系统；单片机控制；硬件设计1直流电动机调速系统的单片机控制系统设计1.1硬件设计采用89C51单片机输出数据，由PWM信号发生电路发送PWM信号到直流电机，然后通过测速电路、滤波电路和A/D转换电路将数据重新发回89C51单片机，从而进行PI运算以实现对电动机速度和转向的调控。该89C51单片机由CPU和8个元件构成，它们都以片内的单一总线进行连接，构成的基本结构仍然是通用CPU配置外围芯片的构成模式，在功能单元控制方面则采用特殊功能寄存器集中控制方法。（1）PWM信号发生电路设计PWM可以应用于很多方面，如电机的速度控制、温度控制和压力控制等。在PWM驱动调速系统中，根据一个固定的频率来接通和切断电源，并根据需要改变一个周期的“接通”和“断开”时间，以改变直流电动机电枢两端电压波形的“占空比”来改变平均电压的电压大小，从而控制电动机的转速。如果电动机接通电源时，达最大速度Vmax，假定D=T1／T为占空比，那么电动机的平均速度为:Va=Vmax×D上式中，Va---电动机的平均速度；Vmax---电动机在全通电情况下的最高运转速度；D---“占空比”，大小等于T1/T。图1直流电动机调速系统的单片机控制系统硬件设计图例从以上公式可知，如果改变“占空比”D=T1/T，可得不同的平均速度Va。严格来讲，平均速度Va和“占空比”D不能呈现十分严格的线性关系，但在实际应用当中我们可将这种近似于线性的关系看做为理想线性关系。（2）PWM信号发生电路设计PWM信号波可以用单片机的PWM端口输出，通过编程来产生，也可以通过使用PWM芯片实现。如果PWM波的频率太高，驱动直流电机控制要求的功率太高，而PWM波的频率太低，电磁噪声的产生是比较大的。在实践应用中，如果频率在18KHz的PWM波，应用效果是最好的。在该系统中，应用两片4位数值比较器4585和一片12位的串行计数器4040构成的PWM信号发生电路。PWM信号发生电路由三片通用数字电路构成，它可以使软件设计构成大大简化，但同样也适用于单片机系统。（3）功率放大驱动电路设计功率放大驱动采用美国IR公司生产的IR2110驱动器。该芯片采用CMOS工艺制作，逻辑电源电压范围为5V～20V，适应TTL或CMOS逻辑信号输入，具有独立的高端和低端2个输出通道，具有较理想的抗噪效果和快速和完整的保护功能，可大大提高控制系统的可靠性。基于IR2110的典型驱动电路见图2所示。图中,C2为自举电容,VCC经D2、C2、负载、T2给C2充电,以确保T2关闭、T1导通时,T1管的栅极靠C2上足够的储能来驱动。对于自举电容的选择，一般用一个大电容和一个小电容并联使用，在频率为20kHz左右的工作状态下，选用1.0μF和0.1μF电容并联。并联高频小电容用来吸收高频毛刺干扰电压。驱动大容量的IGBT,在工作频率较低的情况下要注意自举电容电压稳定性问题，上管的驱动波形峰顶如果出现下降的现象则要选取大的电容。图2IR2110驱动半桥电路由于VB高于VS电压的最大值为20V,为了避免VB过电压损坏IR2110,电路中增加了稳压二极管D1。电路中D2的功能是防止T1导通时高电压串入VCC端损坏该芯片。IR2110的开通与关断传输延迟时间基本匹配，开通传输延迟时间比关断传输延迟时间长25ns,这保证了功率管T1和T2在工作时不会发生同时导通，从而避免了直通故障的发生。为了更加安全，在电路中，功率管的栅极上分别串联电阻R1、R2以及二极管D3、D4。功率器件的栅源极的驱动电压一般为CMOS电平(5V～20V)，因此要在栅极增加保护电路，电路中D7、D8稳压二极管限制了所加栅极电压，另外电阻R3、R4进行分压，以降低了栅极电压。功率器件T1、T2在开关过程中会产生浪涌电压，这些浪涌电压会损坏元件，所以电路中采用稳压二极管D5,D6钳位浪涌电压。由于在桥式电路中存在寄生电感，而桥式电路一般负载为感性负载，在功率管开关瞬间、电源短路以及过电流关断时,di/dt比较大，功率管会产生过冲电压，会使VS端电压低于COM端，而该电压不能低于-4V，如果超出该极限电压就会引起高端通道工作不稳定，所以在设计印制电路板(PCB)时，应采取相应措施以减小VS负过冲电压。（4）保护电路设计在该电路中，为了防止功率管和负载因过电流损坏，需对电流值进行严格控制。利用IR2110的SD端可实现过电流保护控制功能，其过电流保护的工作原理如图3所示。稳压二极管D1提供一标准电压，电阻R2对电流进行采集，将其转换成电压信号，再与标准电压相比较，当电流达到规定值时，比较器输出高电平，提供给IR2110SD端，IR2110控制切断功率管，从而防止过电流的产生。电流值的大小可以根据稳压二极管稳压值及电流检测电阻计算出来。当IR2110用于驱动大功率IGBT管时，SD端的过电流保护功能应慎重使用，因为大电流关断下di/dt很大，控制及驱动电路屏蔽不好情况下会串入很大的干扰信号，很容易引起SD端保护误动作。图3过电流保护原理1.2软件设计1）主程序设计主程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值，这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。主程序软件由1个主程序、1个中断子程序和1个PI控制算法子程序组成。主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是由单片机P1口生数据送到PWM信号发生电路，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比进而控制电机的转速。2）软件调试在软件设计编程中，经常会出现问题，包括键盘扫描、PWM信号产生电路的控制和单片机控制直流电机转动方向等问题。总结软件调试过程，可以认识到软件调试过程需注意的几个关键点：（1）仔细检查源代码，看看是否有编程语言语法的错误；（2）子程序设计找出错误和重点调查；（3）使用各种方法来仔细检查程序，一步步操作，直到系统调试成功为止。3）系统仿真选择proteus仿真软件，利用proteus绘制系统电路图。如果程序在keilC调试通过，将生成以HEX为扩展名的文件，这是为了使系统能在Proteus文件成功模拟的重要文件。一些文件被加载到单片机系统的仿真，验证是否能完成直流电机调速。如果不成功，回到软件调试步骤继续进行调试，识别和修正错误并重新运行系统。硬件电路仿真设计是根据设计方案完成的，在模拟过程中也遇到了许多问题，如元件选择、电路设计和选择元素等。因此，要熟悉和掌握系统组件的使用方法和原则。2结束语综上所述，本文论述直流电动机调速系统的单片机控制是以以89C51单片机作为设计核心，以C语言编制程序实现对直流电动机的平滑调速。实际上，通过单片机实现直流电动机调速还有很多种途径，相较于其他硬件设计或者是软硬件结合设计而言，采用PWM软件设计方法在实现调动及调速控制则具有更为明显的灵活性和成本优势，同时也能够充分发挥单片机的调控作用。因此，本文论述的用意既是为加深直流电动机调速系统的单片机控制理论探究，也为广大业务人员提供交流沟通的平台，共同进学习。参考文献[1]李维军,韩小刚,李晋;基于单片机用软件实现直流电机PWM调速系统[J];维普资讯;2007,(09).[2]陈锟,危立辉;基于单片机的直流电机调速器控制电路[J];中南民族大学学报(自然科学版);2003,(09).[3]宋庆环，才卫国，高志，89C51单片机在直流电动机调速系统中的应用[M];唐山学院;2008,(04).