一種單片機在直流電動機調速系統中的利用

侯　斌

[摘要]介紹一種單片機（如89C51型）在直流電動機轉速控制系統中的應用、實現方法以及硬件結構等。直流電動機轉速控制系統采用了霍爾元器件測量電動機的轉速，用此種單片機對直流電動機的轉速進行了控制，用DAC0832芯片實現輸出模擬電壓值來控制直流電動機的轉速。

[關鍵詞]單片機 直流電機 轉速控制 硬件設計 軟件設計 工作原理

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2009）0110020-01

由于直流電動機具有良好的起動、制動性能，適宜在大范圍內平滑調速，因此在許多需要調速或快速正反向的電力拖動系統中得到了廣泛的應用。而且，從控制的角度來看，直流調速還是交流拖的動系統的基礎，早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，由運算放大器、非線性集成電路以及少量的數字電路組成，控制系統的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統非常不靈活、調試困難，阻礙了直流電動機控制技術的發展和應用范圍的推廣。隨著單片機技術的日新月異，使許多控制動能及算法可以采用軟件技術來完成，不但為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，而且使系統能達到了更高的性能，從而大大節約了人力資源，降低了系統成本，有效地提高了工作效率。

一、轉速的測量原理

轉速是工程上一個常用的參數，旋轉體的轉速常以每分鐘的轉速來表示，其單位為r/min。轉速的測量方法很多，由于轉速是以單位時間內的轉速來衡量的，因此采用霍爾元件測量轉速是較為常用的一種測量方法。

霍爾器件是由半導體材料制成的一種薄片，設其長為L、寬為b、厚度為d。若在垂直于薄片平面方向（即沿厚度d的方向）施加外磁場，在沿長為L的方向的兩個端面加以外電場，則其內部會有一定的電流經過。由于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛侖磁力，其大小為：F1=qvB

式中：F1為洛侖茲力；q為載流子電荷；v為載流子運動速度；B為磁感應強度。

由于受洛侖茲力，電子的運動軌跡將發生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側面分別產生電子積聚或電核過剩，形成霍爾電場。在霍爾元器件兩個側面間形成的電位差稱為霍爾電壓，其大小為：UH=RHIB/d

式中，RH為霍爾常數，I為控制電流。設KH=RH/d，則UH=KHIB

式中：KH稱為霍爾器件的靈敏系數，它表示該霍爾元件在單位磁感應強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應注意，當電磁感應強度B反向時，霍爾電動勢也反向。若控制電流保持不變，則霍爾感應電壓將隨外界磁場強度而變化。根據這一原理，可以將一塊永久磁鋼固定在電動機轉軸上轉盤的邊沿，轉盤隨被測軸旋轉，磁鋼也將跟著同步旋轉，在轉盤附近安裝一個霍爾元件，轉盤隨軸旋轉時，霍爾元件受到磁鋼所產生的磁場影響，故可輸出脈沖信號，其頻率和轉速成正比，測出霍爾元件輸出脈沖的周期或頻率即可計算出轉速。

二、直流電動機轉速控制系統硬件設計

通過自制5V電源（圖1）來確保工作電壓正常，由霍爾元件及外圍器件組成的測速電路將電動機轉速轉換成脈沖信號，送至89C51單片機的計數器T1，由T1測出電動機的實際轉速，并與設定值比較形成偏差；根據比較結果，使DAC0832輸出的控制電壓增大或減小；功放電路將DAC0832輸出的模擬電壓轉換成具有一定輸出功率的電動機控制電壓。其控制原理如圖1所示。

三、直流電動機轉速控制系統軟件設計

控制系統程序的功能是用89C51單片機的TO、T1測出電動機的實際轉速，并與給定值進行比較，根據比較結果，使DAC0832芯片的輸出控制電壓增大或減小。30H單位存放實際轉速與設定值是否相等的標志，“1”表示相等，“0”表示不相等；40H單位存放送入DAC0832芯片的數字控制電壓；7FFFH為DAC0832地址。

四、直流電動機轉速控制系統的工作原理

直流電動機的轉速與施加于電動機兩端的電壓大小有關。本系統用DAC0832控制輸出到直流電動機的電壓的方法來控制電動機的轉速。當電動機轉速小于設定值時，DAC0832芯片的輸出電壓增大；當大于設定值時，則DAC0832芯片輸出電壓減小，從而使電動機以設定的速度恒速旋轉。我們采用比例調節器算法，控制規律為：Y=KPe(t)+K1e(ft)dt

式中：Y為比例調節器輸出；KP為比例系數；K1為積極系數；e(Ft)為調節器的輸入，一般為偏差值。

系統采用了比例積分調節器，簡稱PI調節器，使系統在擾動的作用下，通過PI調節器的調節作用使電動機的轉速達到靜態無差，從而實現了靜態無差。無靜差調速系統中，比例積分調節器的比例部分使動態響應比較快（無滯后），積分部分使系統消除靜差。

五、結論

本系統用單片機構成電動機轉速的控制系統，采用比例積分調節器算法，不但效率高，而且電路簡單，在實踐中得到了比較廣泛的應用。

作者簡介：

侯斌，2003年畢業于西南交通大學電子科學與技術專業，現任蘭州鐵路局蘭西車輛段助工，從事機械動力設備的管理、保養和維修等工作。