基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制

【摘 要】電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)在近二十年有了翻天覆地的變化，其中電動(dòng)機(jī)的控制部分已經(jīng)由模擬控制逐漸讓位于以單片機(jī)為主的微處理器控制，形成數(shù)字與模擬的混合控制系統(tǒng)和純數(shù)字控制系統(tǒng)的應(yīng)用，正向全數(shù)字控制的方向快速發(fā)展。電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分所用的功率器件經(jīng)歷幾次更新?lián)Q代，目前開(kāi)關(guān)速度更快、控制更容易的全控型功率器件成為主流。功率器件控制條件的變化和微電子技術(shù)的使用也使新型的電動(dòng)機(jī)控制方法能夠得到實(shí)現(xiàn)。脈寬調(diào)制控制方法（PWM和SPWM）、變頻技術(shù)在直流調(diào)速和交流調(diào)速中獲得廣泛的應(yīng)用。永磁材料技術(shù)的突破與微電子技術(shù)的結(jié)合又產(chǎn)生了一批新型的電動(dòng)機(jī)。如永磁直流電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、超聲波電動(dòng)機(jī)、專(zhuān)為變頻調(diào)速設(shè)計(jì)的交流電功機(jī)等。這—切變化似乎都在瞬間完成的，讓人感覺(jué)到了技術(shù)進(jìn)步的魅力。本文研究了基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)，并對(duì)其的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】直流電機(jī) 單片機(jī) 轉(zhuǎn)速控制

一、系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

1. 方案設(shè)計(jì)思想及原理。如今電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)，裝備制造中的應(yīng)用十分廣泛，而其速度控制對(duì)不同的生產(chǎn)過(guò)程至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)就是基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制，控制算法采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)技術(shù)。該系統(tǒng)以KL25Z128VFM單片機(jī)為核心，其輸出占空比可調(diào)的PWM波，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制?；魻杺鞲衅鲗㈦姍C(jī)的速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率以后作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)，從而達(dá)到轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)節(jié)。系統(tǒng)通過(guò)數(shù)碼管來(lái)顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。

2. 總體方案設(shè)計(jì)。根據(jù)任務(wù)要求，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)總體方框圖。其中控制器模塊為本次系統(tǒng)的核心，在電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中單片機(jī)輸出的PWM脈沖信號(hào)輸送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，然后經(jīng)過(guò)放大后控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；反饋環(huán)節(jié)，利用速度檢測(cè)模塊獲取此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；運(yùn)用數(shù)字PID 算法改變PWM脈沖信號(hào)的占空比，從而就實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的目的。而鍵盤(pán)模塊與顯示模塊可以用來(lái)人和機(jī)器的互動(dòng)功能，可以通過(guò)鍵盤(pán)模塊把想要設(shè)置的轉(zhuǎn)速及狀態(tài)輸送給控制模塊，還可以通過(guò)顯示模塊顯示到數(shù)碼管上面。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1. 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)。為了提高電機(jī)的控制精度，系統(tǒng)選用了Freescale公司的KL25Z128VFM單片機(jī)。該單片機(jī)屬于32位ARM-M0+高性能微控制器芯片，工作頻率達(dá)到48MHZ，總線(xiàn)速度達(dá)到24MHZ，具有處理速度快、低功耗、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。該芯片內(nèi)部集成了128KFlash存儲(chǔ)單元，單片機(jī)通過(guò)改變這兩個(gè)管腳的電平，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)4種狀態(tài)的控制，完全能滿(mǎn)足直流電機(jī)控制的需要。

2. H橋電路設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的直流電機(jī)控制采用了較為成熟的H橋驅(qū)動(dòng)電路，由4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和電壓轉(zhuǎn)換芯片CD4504組成，具有工作頻率高、電流驅(qū)動(dòng)能力大、安全、低成本和電能轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。Q1，Q2選用P溝道IRF4905場(chǎng)效應(yīng)管，Q3，Q4先用N溝道IRF3205場(chǎng)效應(yīng)管，構(gòu)成H橋驅(qū)動(dòng)電路。CD4504的Ain和Cin引腳分別與單片機(jī)PTB0和PTB1引腳相連， CD4504的Aout與場(chǎng)效型管Q1、Q3的柵極相連，Cout引腳與場(chǎng)效型管Q2、Q4的柵極相連接，構(gòu)成H橋驅(qū)動(dòng)控制

電路。當(dāng)Ain輸入3.3V的高電平，Cin輸入0V低電平時(shí)，Aout輸出7.2V高電平，Cout輸出0V低電平，此時(shí)Q1和Q4導(dǎo)通，Q2和Q3關(guān)閉，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)Ain輸入0V的低電平，Cin輸入3.3V高電平時(shí)，Aout輸出0V低電平，Cout輸出7.2V高電平，此時(shí)Q2和Q3導(dǎo)通，Q1和Q4關(guān)閉，電機(jī)反轉(zhuǎn)。該電路具有一定的保護(hù)功能，第一CD4504具有3.3V和7.2電源物理隔離的功能，第二具有電機(jī)邏輯保護(hù)功能，不會(huì)構(gòu)成電路短路的現(xiàn)象，當(dāng)Ain和Cin都輸入3.3V高電平，此時(shí)Q1和Q2導(dǎo)通，Q3和Q4關(guān)閉，電機(jī)不轉(zhuǎn)；當(dāng)Ain和Cin都輸入0V低電平時(shí)，此時(shí)Q1和Q2關(guān)閉，Q3和Q4導(dǎo)通，電機(jī)不轉(zhuǎn)。

3. 輔助電路。系統(tǒng)輔助電路主要包括通訊、電源、人機(jī)交互三部分。人機(jī)交互模塊主要包括撥碼盤(pán)、OLED液晶顯示等，戶(hù)通過(guò)撥碼盤(pán)可以設(shè)置電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度，通過(guò)OLED液晶屏顯示電機(jī)的旋轉(zhuǎn)、方向和設(shè)定值。系統(tǒng)電源模采用低壓差LM1117-3.3芯片，為單片機(jī)、CD4504和人機(jī)交互等模塊提供穩(wěn)定、可靠的500MA電流的3.3的直流電壓。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1. 軟件的設(shè)計(jì)思想。本系統(tǒng)軟件可由C語(yǔ)言編寫(xiě)，編譯鏈接后下載到KL25Z128VFM中運(yùn)行，軟件能夠?qū)崿F(xiàn)本設(shè)計(jì)的功能要求，程序通過(guò)鍵盤(pán)信號(hào)采集、時(shí)序生成和對(duì)延時(shí)計(jì)數(shù)器賦值來(lái)產(chǎn)生符合要求的控制信號(hào)。

2. PID算法。在本系統(tǒng)通過(guò)編碼器采集電機(jī)的旋轉(zhuǎn)脈沖，然后由單片機(jī)輸入捕捉模塊完成旋轉(zhuǎn)速度的采集，構(gòu)成電機(jī)的閉環(huán)控制。本系統(tǒng)在電機(jī)速度控制編程中使用了PID控制算法，該算法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等特點(diǎn)，是閉環(huán)控制領(lǐng)域使用最多的算法。

直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來(lái)看，直流調(diào)速還是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線(xiàn)性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來(lái)完成，為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的穩(wěn)定性能。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。

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