基于單片機的單相電機調速系統

林錦錢 鄒 恩 張志武 黃裕懷 黃浩揚

（1.廣東電網公司 汕尾供電局，廣東 汕尾 516600；2.華南農業大學 工程學院，廣東 廣州 510642; 3.華南農業大學 珠江學院，廣東 廣州 510900）

基于單片機的單相電機調速系統

林錦錢1鄒 恩2,3*張志武2黃裕懷2黃浩揚2

（1.廣東電網公司 汕尾供電局，廣東 汕尾 516600；2.華南農業大學 工程學院，廣東 廣州 510642; 3.華南農業大學 珠江學院，廣東 廣州 510900）

以單相電機速度為控制對象，采用STC89C51單片機為控制核心，設計了一套單相電機調速器控制系統。系統采用鋸齒波產生脈沖作為雙向晶閘管的觸發信號，通過控制雙向晶閘管的導通角調節電機的端電壓，從而實現電機調速。

單片機；單相電機；霍爾傳感器；調速器

單相電機結構簡單、功率小、造價低,被廣泛應用于家用電器和小功率工業裝置中。目前單相電機的無級調速器多采用電子調速[1-2]，文獻[3]采用調壓調速，可以實時控制速度，但單片機外圍接口電路多且復雜；文獻[4、5]通過改變供電電壓的頻率實現調速，雖能實現大范圍無級調速，但也存在一些明顯的缺點，如變頻電路采用兩相繞組分別控制的方案，會增加副繞組的電壓值、直流電壓利用率較低、控制算法也比較復雜等。

為了提高調速設備的穩定性、可讀性和操作方便性，本文采用STC89C51單片機為控制核心，設計了一套單相電機調速系統。系統通過鍵盤設定速度，此設定值與電機反饋速度比較并經模擬PI作用，與形成的鋸齒波經過比較器產生脈沖信號，作為雙向晶閘管的觸發信號，通過控制雙向晶閘管的導通角調節電機的端電壓，實現電機無極調速。

1 系統結構及工作原理

系統主要由鍵盤模塊、液晶顯示模塊、速度反饋模塊、存儲模塊、PWM給定模塊、電機驅動模塊組成。系統整體框圖如圖1所示。

圖1. 控制系統硬件設計圖

系統上電后，通過鍵盤設定速度，即改變PWM占空比，經濾波后得到設定的直流電壓，單相電機自帶的交流反饋電壓經整流濾波得到反饋直流電壓，其與給定直流電壓比較并經PI作用，與形成的鋸齒波經過比較器產生脈沖信號，作為雙向晶閘管的觸發信號，通過控制雙向晶閘管的導通角調節電機兩端的電壓，實現電機調速。液晶顯示器可同時顯示設定速度和反饋速度。

2 系統硬件電路設計

系統硬件電路設計包括:單片機控制模塊、速度反饋模塊、存儲模塊、PWM直流給定模塊和電機驅動模塊等五大部分。

2.1 單片機控制模塊

系統以STC89C51單片機作為控制核心，STC89C51本身含有4K的EEPROM存儲器,用編程器可以更改存儲器中的控制程序，從而為系統的開發提供了可行性。

單片機控制模塊的設計主要包括STC89C51單片機的最小系統、鍵盤及液晶顯示電路的設計。其中P3.2作為速度反饋的輸入端；P3.7作為PWM的輸出端；P1口作為鍵盤引出端，采用4×4矩陣鍵盤。P0口和P2口的部分引腳作為液晶的數據口和控制口，液晶顯示采用LCD1602；P2口的低3位作為AT24C02控制信號輸出端。由于LCD1602顯示電路和鍵盤電路技術成熟,在此不再詳述。

2.2 速度反饋模塊

速度檢測采用霍爾傳感器。根據霍爾效應原理，將一塊永久磁鋼固定在電機轉軸上的轉盤邊沿，轉盤隨測軸旋轉，磁鋼也將跟著同步旋轉，在轉盤下方安裝一個霍爾器件，轉盤隨軸旋轉時，受磁鋼所產生的磁場的影響，霍爾器件輸出脈沖信號，其頻率和轉速成正比。系統采用單片機的外部中斷0對霍爾器件輸出脈沖信號計數，并用定時器0產生輸出方波的信號周期。

2.3 存儲模塊

存儲模塊采用 AT24C02，用來存儲電機設定的速度。當系統重新上電時，單片機通過AT24C02讀取掉電前設定的速度。AT24C02是一個2K位串行CMOS的E2PROM，內部含有256個8位字節，有一個16字節頁寫緩沖器。該器件通過I2C總線接口進行操作，有一個專門的寫保護功能。通過SDA，單片機對芯片寫入或讀出數據，WP為寫保護。若WP接VCC，則所有的內容都被寫保護。

2.4 PWM直流給定模塊

PWM直流給定模塊電路圖如圖2所示。單片機輸出的PWM信號經過光耦隔離，減小驅動電流對單片機的影響。其中R6、R7、C5、C6組成二階低通濾波電路，對經過光電隔離的PWM信號進行濾波。為了得到穩定的直流電壓，濾波后的電壓需通過電壓跟隨器。

圖2. PWM直流給定模塊電路圖

2.5 電機驅動模塊

電機驅動模塊電路框圖如圖3所示。給定的直流電壓與反饋電壓之差經過比例積分作用，與220V交流電同步鋸齒波進行比較，再作為雙向晶閘管的觸發信號。由于雙向晶閘管開通頻繁，須在其兩端并聯RC電路進行保護。

圖3.電機驅動模塊電路框圖

3 系統軟件設計

模塊化程序設計是計算機軟件開發的一種有效方法。采用模塊化程序設計方法，先設計出子程序并進行調試，然后進行模塊集成，形成主程序[6]。系統的軟件設計主要包括主程序、功能選擇子程序和PWM子程序等。

3.1 主程序

主程序流程圖如圖4所示，主程序主要完成速度設定、顯示。系統進入主程序后，先進行相關參數和液晶顯示的初始化，讀取AT24C02的數值并經液晶顯示器顯示掉電前設定的速度，然后循環調用功能選擇子程序和顯示速度。

圖4. 主程序流程圖

3.2 功能選擇子程序

功能選擇子程序流程圖如圖5所示，首先調用鍵盤處理函數，如返回的鍵值key為11，進入設定速度，然后重新調用鍵盤處理函數，若鍵值為0到9之間，則把鍵值賦給速度變量；若鍵值為14，速度變量值清0；若鍵值為15，速度設定確認功能，把設定的速度轉成PWM的占空比，并保存在AT24C02中。

3.3 PWM子程序

PWM程序用于產生占空比可調的方波，系統利用定時器產生方波。進入定時器1中斷函數后，定時器1初始化，計數變量與已初始化的變量t進行比較確定方波的周期，當計數變量大于t時，計數變量清零。計數變量與鍵盤設定的變量t1進行比較，小于t1時輸出高電平，大于t1則輸出低電平，通過調節t1值的大小來改變占空比[7]。

圖5.功能選擇子程序流程圖

4 系統調試

系統設計完畢后，為了驗證該調速器的設計效果，對某生產線的速度控制進行了實測，生產線由YYCJT90-90單相電機帶動。系統上電后，通過鍵盤設置電機速度，顯示器同時顯示設定和反饋速度，3min后記錄顯示器上反饋的速度，總共設定4組速度，每組數據重復測量4次。記錄數據如表1所示。

表1. 單相電機調速實測數據

5 結論

本文以STC89C52 單片機為控制核心，采用模擬PI技術和霍爾傳感器技術設計一種參數可調的單相電機調速器。系統采用鋸齒波產生脈沖作為雙向晶閘管的觸發信號，通過控制雙向晶閘管的導通角調節電機的端電壓實現電機調速。經現場調試表明，該調速器運行效果良好，現已投入到裝配生產線的實際系統上運行，使用半年多，系統穩定無故障。

[1]傅新年.單相電機調速電路[J].電子世界,2004,(8):60-61.

[2]趙紅菊,楊勇.一種單相異步電動機調速系統[J].機械與電子,2004,(8):34-36.

[3]張靜,閆哲.單相電容運轉電機調速系統[J].信息技術, 1999,(7):13-14.

[4]李學華,景爽.單相電機變頻調速系統的設計[J].電機與控制運用,2008,35(6):52-55.

[5]洪長功,湯寧平.兩相電機的合成電壓矢量變頻調速[J].電機電器技術,2002,(6):21-25.

[6]鄒恩,陳樂歡,林錦錢,辛建濤.基于CAN總線的智能超聲波測距車載系統[J].湖南工業大學學報,2011,25(2):67-71.

[7]梁偉,孫明革.采用單片機定時器設計PWM實現廉價的高分辨率D/A轉換器[J].吉林化工學院學報,2002,19(3):36-38.

Single-phase motors for Speed Adjustion System Based on Singlechip

LIN Jin-qian1，ZOU En2,3*，ZHANG Zhi-wu2，HUANG Yuh-ui2，HUANG Hao-yang2

(1.Guangdong Power Grid Corporation Shanwei Power Supply Bureau, Shanwei, 516600,China; 2. College of Engineering, South China Agricultural University ,Guangzhou ,510642, China 3. College of ZhuJiang，South China Agricultural University，Guangzhou 510900，China)

This paper utilized the speed regulator of Single-phase motors as a controlled object and STC89C51 single chip as control core to design a set of control system of single-phase motor governor. This system used pulse produced by the sawtooth wave as the trigger signal of bidirectional thyristor and achieved speed adjusting of the electrical machine by controlling the terminal

voltage of conduction angle adjusting electrical machine of the bidirectional thyristor.

Singlechip; Single-phase motors; Hall sensor; Speed regulator

中國分類號：TP273

A

1673-2219（2014）05-0054-03

2013－09－16

國家自然科學基金項目(31171457)；廣東省科技廳產學研結合項目（2010B090400451，2012B0911 00020)；大學生創新項目（SCX12181，1056412115）資助。

林錦錢（1985－），男，廣東汕尾人，碩士研究生，主要研究方向為自動化控制。

鄒恩（1956－），女，湖南株洲人，博士，教授，主要研究方向為非線性系統的智能控制。

(責任編校：劉志壯)