基于單片機的直流電動機控制系統設計

潘欣榮

摘 要：為了提高直流電動機的控制精度和生產效率，文章介紹了一種基于單片機的直流電動機控制系統，并對該系統的硬件部分、軟件部分以及實現方式進行了論述，系統經應用驗證，其性能較好地達到了預期的各項指標要求。

關鍵詞：直流電動機；調速系統；單片機

長期以來，直流電動機因其轉速調節比較靈活，方法簡單，易于大范圍平滑調速，控制性能好等特點，一直在傳動領域占有統治地位。它廣泛應用于數控機床、工業機器人等工廠自動化設備中。隨著現代化生產規模的不斷擴大，各個行業對直流電機的需求愈益增大，并對其性能提出了更高的要求。

1.系統簡介

直流電動機是將直流電能轉換為機械能的電動機。在很多需要電力拖動的實際生產領域，電動機要與生產工藝配合必須要求可以調速。與交流電機相比，直流電機具有良好的起動、制動性能，可以平滑調速、過載能力強、不受電機功率限止等諸多優點，所以在許多行業中廣泛應用。

2.系統硬件

2.1 總體

本次是采用單片機作為控制系統，可控整流電路作為調壓電路。

（1）電動機部分

在電動機主電路中可控整流電路采用單相半控橋式電路，為電機電樞提供脈動式直流電壓，勵磁部分采用固定橋式整流電路。由于電機為大電感負載，為了使單相半波整流電路正常工作，在負載兩端并聯一個續流二極管消除負電壓的影響。其中快速熔斷器用來實現可控硅的過電流保護，阻容串聯電路用來實現可控硅過電壓保護。

（2）單片機部分

單片機控制系統由單片機、人機對話電路、同步信號獲得電路、觸發脈沖整形及驅動電路構成。

本次選用AT89C51 單片機，它有4 KB 的ROM、128 B的RAM、兩個16位的定時計數器、4個8位并行口、全雙工串行口，可以滿足要求。

2.2單元電路

2.2.1同步信號電路

同步信號電路由同步信號獲得電路、整形電路、脈沖方向變換電路組成，正弦交流電經同步變壓器獲得與主電路同步變化的過零點信號，經LM339組成的過零比較器將正弦波變換成脈沖波，經74lLS123將脈沖波的上升沿轉換成下降沿以滿足單片機中斷的要求。

（1）LM339

LM339稱為四路差動比較器，是比較常見的一種集成電路，有四個獨立的電壓比較器裝在其芯片內部，該電壓比較器的特點及參數設置在此就不列舉說明了，可查閱相關資料，它類似于運算放大器，但是它的增益不可調。我們可以利用LM339的特性，組成各種振蕩器電路，還可以組成各種電壓比較器電路，而且弱信號用LM339檢測是比較理想的。由于LM339使用的靈活性，使得其應用非常廣泛。

（2）74LS123

經LM339 后的信號成為脈沖波信號，但單片機INT1是邊沿觸發。因此，要使脈沖方向變換，信號必須還要經過整形。74LS123是單穩態觸發器，它的內部有兩個相互獨立的單穩，除了外接的定時電阻，還有定時電容，二者共同決定了單穩輸出的脈寬。

2.2.2人機對話模塊電路

（1）要求及芯片選用

人機對話模塊需要8個LED顯示數碼管，4×4輸入鍵盤，整個電路模塊采用可編程鍵盤。根據以上設計任務要求，決定芯片選擇如下：顯示接口選用8279，段驅動采用74LS244、74LS138譯碼器和74LS451組成位驅動。

（2）主要元件——8279接口芯片

Intel8279芯片是一種通用的可編程序的鍵盤、顯示接口芯片。它既具有按鍵處理功能，又具有自動顯示功能，因此被廣泛應用在單片機開發領域。鍵盤控制部分可控制8×8=64個按鍵，顯示RAM容量為16×8，即顯示器最大配置可控制16位LED數碼管動態掃描顯示。掃描方式分譯碼和編碼兩種，由于用譯碼方式外接顯示管不能多于4位，所以采用編碼方式，而采用編碼方式需要配合適當的譯碼器完成譯碼功能，本次設計選用74LS138 譯碼器。

2.2.3驅動電路及輸出信號

（1）電路

輸出信號及驅動電路的作用是將單片機的控制信號經過驅動電路信息傳送給電機，控制電機的啟動、停止和運轉。該部分電路主要由74LS123、兩只NPN型的三極管、74LS02，以及觸發變壓器組成。

（2）工作原理

單片機將P2.0 管角輸出信號送給74LS123，觸發74LS123經Q端送出定寬脈沖信號用來使三極管Q2導通，Q2集電極與脈沖變壓器C30初級相連，這時脈沖變壓器初級有電流流過，次級將產生脈沖電壓觸發可控硅導通。74LS123觸發脈沖變壓器的觸發信號的寬度計算：選Cext=0.1 uF；Rext =10 kΩ，則

Tw=0.45×10 kΩ×0.1 uF=0.45 s。

本次選用的脈沖觸發變壓器型號為KCB-041B，用它作為輸出信號的驅動電路。該變壓器需與可控硅配套使用，接在控制觸發單元與可控硅控制極之間，主要作用一是傳遞觸發脈沖，再者是用來隔離強電與弱電。

單片機的P2.1端口是用來控制電動機的啟動和停止，輸出低電平，經74LS02 反相，送給三極管Q1 的基極，使三極管導通。三極管的集電極與電動機繼電器的線圈相連，當三極管導通時，繼電器線圈有電流流過，銜鐵吸和，電機啟動。

2.2.4電機的控制電路

電機控制電路部分的作用是控制直流電機的調速。電機控制電路主要由單相半控橋式整流電路、固定橋式整流電路以及續流二級管等組成。單向可控硅實際就是一種可控整流元件，能在外部控制信號作用下由關斷變為導通，但一旦導通，即使去掉外部信號，也無法斷開電路，只能靠去除負載或降低其兩端電壓使其關斷。外部觸發脈沖信號加入到可控硅的先后，決定了可控硅導通的先后，在工頻交流電220 V每個正半周內可控硅導通的電角度叫導通角θ，θ是用來表示可控硅在承受正向電壓的半個周期的導通范圍的。通過改變導通角θ，可以改變電動機上電樞電壓值，電動機的轉速也將會隨其改變而變化。根據任務計算可控硅的參數。設工頻交流電壓U2max=220 V，Iom=2 A，可控硅和續流二級管承受的最大電壓為：UTM = 2U2 =311 V ，其電流的有效值為：IT=1.11×2 A=2.22 A。

可控硅的型號計算為：額定電壓UTn=（2～3）UTM=622～933 V ，本次設計選擇600 V；額定電流IT（AV）=（1.5～2）IT 1.57=2.1～2.8 A ，選擇2 A。

3.結束語

總之，電動機的數字控制是電動機控制的發展趨勢，用單片機對電動機進行控制是實現電動機數字控制的最常用的手段。本系統采用單片機做控制系統，整個系統設計合理，功能實現良好，性能可靠，成本低，有效地提高了系統的可靠性和實用性。

參考文獻：

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