基于單片機的直流電機控制研究

昆山登云科技職業學院 楊克香 朱圣華蘇州拓萊特電子科技有限公司 常趙軍

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基于單片機的直流電機控制研究

昆山登云科技職業學院 楊克香 朱圣華
蘇州拓萊特電子科技有限公司 常趙軍

【摘要】近年來，單片機等微處理器為核心的數字系統逐漸成為直流電機的主流控制系統，對基于單片機的直流電機控制系統做了簡要研究，提出了硬件設計以及軟件設計。

【關鍵詞】單片機；直流電機；控制

前言

直流電動機在制動、啟動、調速等方面的性能良好，因而應用廣泛，單片機能夠實現脈沖計數采樣以及調制脈寬，從而實現對直流電動機進行casual以及控制轉速，單片機對直流電機轉速的控制是十分精確的。

1 單片機直流電機控制系統

1.1 原理

相較而言，直流電動機調速性能優良，但由于機械換向器會產生噪聲、火花、電磁干擾等，其常用的控制方式為模糊PID控制，是PID控制與模糊控制結合產生的，其抗干擾能力強，不再依賴于數學模型，簡化了系統設計，提高了系統性能。

1.2 基本要求

單片機直流電機控制系統的基本要求為：①能夠按照設計的轉速實現調速；②能夠顯示實際轉速；③能夠通過脈寬調制進行軟啟動；④控制范圍y應在：0r/m-999r/m；⑤要求控制誤差在2%之內。

1.3 系統整體方案

系統原理圖為：

系統中主要檢測與控制的參數為速度，通過速度傳感器將參數轉化為反饋信號，信號輸入單片機，在計算處理后輸出，從而實現對直流電動機的控制，使其達到預期轉速[1]。

系統框架圖如下圖：

2 控制硬件電路設計

2.1 主控制電路

主控制電路為單片機控制，其不僅能夠通過對軟件編程的方式實現直流電機的多功能控制，同時這種控制芯片的系統具有較高的可靠性。下面介紹一下單片機控制芯片各個引腳：

1-8腳：通用的I/O接口，p1.0-p1.7；9腳：RST復位鍵；10-17腳：I/Op3接口；18-19腳：晶振諧振器；20腳：地線；21-28腳：p2接口及地址總線；29腳：PSEN片，其輸出低電平；30腳：地址鎖存器；31腳：取指令控制器，在低電平片外取，在高電平片內?。?2-39腳：P0.7-P0.0；40腳：電源。

2.2 驅動電路

當前我國選用N溝道場效應管作為三相橋式功率開關，上橋和下橋都使用的是NMOS功率管，一般來說，其實現方法有三種：

①采用隔離二極管、自舉電容以及國際整流器公司的專用驅動芯片來獲得供電正極電源，電源一般為12-15V，專用芯片有IRZI30、2133等；

②采用模擬驅動專用芯片，通過雙極型三極管進行驅動，以此來獲取12-15V電源；

③直接采用專門的驅動電路獲取12-15V電源。以美國IR公司的IR2110驅動芯片為例，這種芯片具有光耦隔離，占用體積較小，同時其電磁隔離效果較好，速度較快，因此IR2110驅動芯片通常用于功率中小型的變化裝置。

2.3 電源電路

在單片直流電動機控制系統中，驅動電路電壓要達到15V，系統中使用的傳感器電壓一般為5V，因此，而常用的開關電源電壓可能達到20V以上，因此在系統中需要將電源電路電壓轉換成適用于驅動電路以及傳感器的15V電壓和5V電壓。

2.4 檢測電路

單片直流電動機控制系統中的電流檢測方法有很多，例如磁敏電阻法、霍爾電流傳感器法以及電阻采樣法等等，在選擇電流檢測方法時，我們應綜合考慮單片直流電動機控制系統的成本以及性能，以電阻采樣法為例，電阻采樣法檢測電流的精度較低，但其應用成本較小且檢測流程相對簡便。電阻采樣法的基本原理為：歐姆定律計算電流值，即在單片直流電動機控制系統中的地線和母線直接用串聯的方式連接一個已知電阻值的小型電阻，之后檢測小型電阻兩端的電壓降，通過檢測值，根據歐姆定律就能夠計算出電流值。

3 控制軟件設計

系統中的軟件設計包括初始化設置、中斷服務程序、子程序以及電機方向和速度輸出程序等，通過主控程序能夠調用系統中的各個模塊。

系統中的模塊有：①數碼管顯示模塊：數碼顯示模塊中包含DIG.asm、DIG.inc、DIG.h等相關文件，主要是LED數碼管的顯示驅動程序；②按鍵掃描模塊：通過對鍵盤的掃描，能夠獲得相應鍵值：Key,asm、Key.inc、Key.h等相關文件；③直流電機控制模塊：通過對專用驅動芯片的控制，對直流電機的電流、轉動方向、轉速等參數進行檢測和控制。

主控程序是單片直流電動機控制系統的總控制程序，其主要通過判斷按鍵值、控制數碼管顯示、控制電機的轉動等程序實現對直流電動機的控制。在系統實現初始化后，顯示默認的直流電機轉速設定值，并且在等待按鍵的輸入程序。通過Key1、Key2、Key3可以實現整個單片直流電動機控制系統程序的運行，當有按鍵按下后，會調動相應的子程序完成功能[2]。

系統操作方法如表1所示。

可以通過系統操作方法表對單片機直流電機控制系統進行功能的總體測試，來判斷整個控制系統是否能夠完成既定的基本要求。

表1　系統操作方法表

4 結論

直流電動機被廣泛的應用到國防、航空以及我們生活中的各個領域，其對我們日常生活的影響越來越深刻，對直流電動機進行有效控制至關重要。單片機能夠實現直流電機的多功能控制，良好的控制硬件與控制軟件設計對基于單片機的直流電機精確控制十分關鍵，本文對基于單片機的直流電機控制做了簡要研究，旨在為直流電動機控制的發展和完善做出貢獻。

參考文獻

[1]趙航濤,潘永貞,賀永慶.基于單片機的直流電機控制電路及編程[J].電腦知識與技術,2014,23:5556-5558.

[2]楊建中.基于單片機的直流電機控制系統研究[J].數字技術與應用,2012,12:31+33.

楊克香（1984—），女，江蘇淮安人，大學本科，助教，現供職于昆山登云科技職業學院，研究方向：電氣工程及其自動化。

常趙軍（1981—），男，安徽蚌埠人，大學本科，中級職稱，現供職于蘇州拓萊特電子科技有限公司，研究方向：測控技術與儀器。

朱圣華（1965—），男，江西豐城人，大學本科，高級工程師，現供職于昆山登云科技職業學院，研究方向：機床及夾具設計與制造。

作者簡介：