基于STC單片機的小型直流電機變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)設(shè)計與制作

趙書紅

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫，214432）

0 引言

直流電機因其具有：1）調(diào)速范圍非常廣，比較容易平滑調(diào)速；2）響應(yīng)十分快，啟動、制動和過載轉(zhuǎn)矩都很大；3）控制方便，十分可靠；調(diào)速性能非常好、起動容易、能夠載重起動等優(yōu)點，在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。直流電機節(jié)能體現(xiàn)方式如下：1）直流電機的節(jié)能改造技術(shù)是將傳統(tǒng)的直流無刷電機改變?yōu)椴竭M伺服電機；2）不同的機械設(shè)備廠家，都正在尋求更加高效率并且可以節(jié)能的辦法，以前的改造方式大都雖然能一定程度上節(jié)能，但是會有其他的弊端，直流電機的節(jié)能改造為工控自動化行業(yè)的廠家轉(zhuǎn)型帶來了新的動力[5-7]。為實現(xiàn)節(jié)能控制，現(xiàn)在直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)中，絕大多數(shù)采用晶閘管相控整流供電，其存在系統(tǒng)體積較大，且模擬電路系統(tǒng)中電阻、電感、電容等模擬電路元件容易受外界環(huán)境溫度、濕度、等因素影響，抗干擾能力差等弊端[8]。近些年以來，隨著單片機、數(shù)字信號處理器(DSP)等微處理器技術(shù)的不斷提高，制造成本的不斷下降，電動機調(diào)速控制器裝置采用以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一[9]。為拓展直流電機應(yīng)用降低控制成本，本文提出基于STC單片機的小型直流電機變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)設(shè)計。在完成Proteus仿真的基礎(chǔ)上，本文完成變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件制作及軟件編程以完成系統(tǒng)控制性能的測試。測試結(jié)果顯示：本系統(tǒng)測量所得數(shù)據(jù)符合正太分布，無明顯的差異性，可實現(xiàn)直流電機的變頻調(diào)速控制，在實現(xiàn)電機簡單操作、低成本控制方面具有一定的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案及仿真

1.1 總體設(shè)計

基于STC單片機的小型直流電機變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)設(shè)計主要包括主控制器、電機驅(qū)動、按鍵、液晶顯示及電機測速等功能模塊，其總體設(shè)計框圖如圖1所示。其中，主控制器自主完成電機測速數(shù)據(jù)采集，判斷后通過直流電機驅(qū)動實現(xiàn)直流電機調(diào)速控制；按鍵模塊接收用戶控制信號，對電機進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速以及停止?fàn)顟B(tài)的控制。

圖1 總體設(shè)計框圖

1.2 系統(tǒng)仿真

為驗證系統(tǒng)總體方案的合理性，本文采用Proteus軟件[10]實現(xiàn)系統(tǒng)仿真，如圖2所示。Proteus軟件仿真結(jié)果顯示本文所設(shè)計總體方案可實現(xiàn)直流電機的變頻調(diào)速控制。

圖2 Proteus軟件系統(tǒng)仿真圖

2 硬件構(gòu)建及軟件編程

2.1 硬件構(gòu)建

2.1.1 主控制器

為降低系統(tǒng)成本，本系統(tǒng)主控制器選用STC單片機STC89C52，其電氣原理圖如圖3所示。

圖3 主控制器電氣原理圖

2.1.2 電機驅(qū)動電路

電機驅(qū)動選用L298N芯片，其可以通過常用的TTL信號作為輸入信號，7腳為驅(qū)動電源輸入，也就是電機的電源輸入端，電氣原理圖如圖4所示。

圖4 電動機驅(qū)動電路

2.1.3 按鍵電路

本系統(tǒng)按鍵模塊主要用于實現(xiàn)電機進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速以及停止?fàn)顟B(tài)的控制，其中按鍵S2是電機轉(zhuǎn)動開始按鍵，接單片機的P1.0；按鍵S3是電機轉(zhuǎn)動停止按鍵，接單片機的P1.1；按鍵S4是電機正轉(zhuǎn)控制按鍵，接單片機的P1.2；電機反轉(zhuǎn)按鍵是S5，接單片機的P1.3；按鍵S6是電機轉(zhuǎn)動加速按鍵，接單片機的P1.4；按鍵S7是電機轉(zhuǎn)動減速按鍵，接單片機的P1.5。

2.1.4 顯示電路

本系統(tǒng)顯示模塊選擇LCD1602液晶顯示屏，其電氣原理圖如圖5所示。

圖5 顯示電氣原理圖

2.1.5 電機測速模塊

本系統(tǒng)中電機測速選用霍爾傳感器，其電氣原理圖如圖6所示。

圖6 電機測速原理圖

2.2 軟件編程

本系統(tǒng)軟件編程按照測速、速度設(shè)定控制等內(nèi)容完成軟件編程，其軟件設(shè)計流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

3 實物制作及數(shù)據(jù)分析

3.1 實物制作

在完成上述系統(tǒng)硬件構(gòu)建的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)實物如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)實物圖

3.2 數(shù)據(jù)分析

將系統(tǒng)實物通電后，通過調(diào)整PWM值來改變速度。將采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，得到分析結(jié)果，如下表所示。其中，n為樣本數(shù)量；t為student t檢驗[11]（Student’s t test），主要用于樣本含量較?。ɡ鏽<30），總體標(biāo)準(zhǔn)差σ未知的正態(tài)分布；p為相關(guān)性分析，當(dāng)p值大于0.05時，則說明這兩組數(shù)據(jù)沒有顯著的相關(guān)性；R2代表數(shù)據(jù)的線性度，其數(shù)值越接近1，表明線性度越好。

表1線性回歸分析結(jié)果數(shù)據(jù)顯示R2為0.993≈1即兩組數(shù)據(jù)的線性度很好，即通過調(diào)整PWM值可實現(xiàn)直流電機的線性調(diào)速；表2經(jīng)Kolmogorov-Smirnov檢驗[12]及Shapro-Wilk檢驗[13]后正態(tài)性檢驗分析結(jié)果顯示實物測量所得數(shù)據(jù)符合正太分布的要求，沒有明顯的差異性；表3配對t檢驗分析結(jié)果顯示PWM值配對轉(zhuǎn)速p值大于0.05時，說明兩組數(shù)據(jù)沒有顯著的相關(guān)性，即PWM值對電機轉(zhuǎn)速的控制性良好。綜上所述：本文所設(shè)計基于STC單片機的小型直流電機變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)設(shè)計可實現(xiàn)直流電機的高線性度、符合正太數(shù)據(jù)分布的簡易操作、低成本控制，具有一定的應(yīng)用價值。

表1 線性回歸分析結(jié)果（n=10）

表2 正態(tài)性檢驗分析結(jié)果

表3 配對t檢驗分析結(jié)果

4 總結(jié)

為拓展直流電機應(yīng)用降低控制成本，本文基于STC單片機完成小型直流電機變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)設(shè)計。在完成Proteus仿真的基礎(chǔ)上，本文完成變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件制作及軟件編程。系統(tǒng)硬件主要由主控制器、電機驅(qū)動、按鍵、液晶顯示及電機測速等部分組成，其中主控制器為STC單片機、電機驅(qū)動為L298，液晶顯示LCD1602、電機測速為霍爾傳感器。在完成上述系統(tǒng)硬件構(gòu)建的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)實物進行測試，測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示：PWM值與電機轉(zhuǎn)速的R2為0.993≈1即兩組數(shù)據(jù)的線性度很好，即通過調(diào)整PWM值可實現(xiàn)直流電機的線性調(diào)速；正態(tài)性檢驗分析結(jié)果顯示實物測量所得數(shù)據(jù)符合正太分布的要求，沒有明顯的差異性PWM值配對轉(zhuǎn)速p值大于0.05說明這兩組數(shù)據(jù)沒有顯著的相關(guān)性，即PWM值對電機轉(zhuǎn)速的控制性良好。綜上所述，本文所提系統(tǒng)具有成本較低、操作方便、線性度高、控制數(shù)據(jù)符合正太分布且性能良好，在低成本電機控制方面具有一定的應(yīng)用前景。