無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

韓佳芳 李雅迪 馬琳琳 魏強(qiáng)

摘要：該文首先論述了無刷直流電機(jī)的基本構(gòu)造與工作原理，以及電機(jī)調(diào)速的方法，分析研究利用單片機(jī)控制無刷直流電機(jī)調(diào)速的總體方案。采用AT89C51單片機(jī)作為整個控制電路的核心部分，L293D作為驅(qū)動芯片，硬件部分設(shè)計包括單片機(jī)最小部分，鍵盤電路，速度檢測電路，正反轉(zhuǎn)控制電路，過流保護(hù)電路等。選用KEIL作為單片機(jī)編程環(huán)境，設(shè)計無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件程序整體流程框圖。在設(shè)計中，采用PWM調(diào)速方式，通過改變PWM的占空比從而改變電動機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而實現(xiàn)對電動機(jī)的調(diào)速。設(shè)計的整個控制系統(tǒng)，在硬件結(jié)構(gòu)上采用了大量的集成電路模塊，大大地簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使整個系統(tǒng)的性能得到提高。最后，無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真與調(diào)試，焊接的實物能夠達(dá)到設(shè)計的要求，實現(xiàn)了電機(jī)啟動、停止、正反轉(zhuǎn)、加速、減速等功能。

關(guān)鍵詞：無刷直流電動機(jī);AT89C51單片機(jī);調(diào)速控制;霍爾位置傳感器

中圖分類號：TP302.1? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）19-0108-03

1 引言

在傳統(tǒng)的電機(jī)控制中，直流電機(jī)一直占據(jù)著很重要的地位，由于直流電機(jī)本身帶有機(jī)械換向器和電刷，而產(chǎn)生了一系列的問題，比如電機(jī)容量有限、噪音大和可靠性低等，因此，人們開始嘗試探索一種新型的低噪聲、高效率和大容量的電機(jī)驅(qū)動電機(jī)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)和自動控制技術(shù)得到了很好的發(fā)展，人們開始將這些新興技術(shù)運(yùn)用到電機(jī)的研究當(dāng)中，無刷直流電機(jī)也由此誕生了，無刷直流電機(jī)和傳統(tǒng)的電機(jī)相比具有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如說體積小、效率高、容量大、可靠性高等[1]。

經(jīng)過這些年的發(fā)展，直流電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制方式與之前的電機(jī)相比較，發(fā)生了很大的變化[2]。尤其是計算機(jī)技術(shù)在控制領(lǐng)域的出現(xiàn)，新的電子功率器件的技術(shù)日趨成熟，通過全功率開關(guān)脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制）控制方法成為一種新的電機(jī)調(diào)速方法[3]。

2 無刷直流電機(jī)控制設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

控制電路以單片機(jī)作為主控芯片，L293D作為驅(qū)動芯片，來驅(qū)動H橋電路。用PWM脈沖調(diào)制控制電機(jī)轉(zhuǎn)速[4]。與單片微型計算機(jī)相比，新型單片機(jī)增加了許多新功能，包括脈寬調(diào)制功能[5]。對程序初始化設(shè)置，可以自動產(chǎn)生脈沖波形信號。改變占空比的大小，可以實現(xiàn)電機(jī)以不同的速度轉(zhuǎn)動。總體設(shè)計方案原理圖如圖1所示：

2.1.1 控制電路基本原理

本文是基于單片機(jī)的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，包括以下幾個部分：AT89C51單片機(jī)，四位數(shù)碼管，L239D驅(qū)動芯片，H橋電路，霍爾測速，鍵盤電路和直流無刷電機(jī)。

用AT89C51單片機(jī)作為主控制器，數(shù)碼管用于顯示轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向和速度的大小，使用L239D作為驅(qū)動芯片驅(qū)動H橋電路，選擇輸入鍵盤用來實現(xiàn)對電路的控制。采用脈寬調(diào)制技術(shù)控制電機(jī)的速度。

2.1.2 脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）

在設(shè)計中，采用PWM調(diào)壓調(diào)速方式，通過改變PWM的占空比從而改變電動機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而實現(xiàn)對電動機(jī)的控制[6]。

PWM控制的原理是在驅(qū)動電路中，通過改變開關(guān)在一個通斷周期內(nèi)接通的時間，也就是改變一個周期內(nèi)高電平的持續(xù)時間，占空比的大小會影響輸入的電樞電壓，也會改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速[7]，原理如圖2所示。

由圖得：

其中[Va]指的是電機(jī)的平均速度，[Vmax]指在整個過程中電機(jī)的最大速度，[D]指占空比。

當(dāng)占空比發(fā)生改變時，輸入電壓就發(fā)生改變，從而電機(jī)速度也發(fā)生改變，即達(dá)到了調(diào)速的目的。無刷直流電機(jī)速度控制是運(yùn)用PWM控制技術(shù)，對單片機(jī)AT89C51進(jìn)行編程，能得到PWM輸出波形，占空比的大小也可任意改變，只需在編程時處理占空比的大小即可。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

硬件電路的設(shè)計是將每個功能子模塊分開設(shè)計，再將這些子模塊組合在一起，形成整個硬件電路的設(shè)計。硬件部分主要包括：單片機(jī)選型及外圍電路、鍵盤電路，測速電路、正反轉(zhuǎn)電路、過流保護(hù)電路等。

3.1 單片機(jī)選型及外圍電路設(shè)計

3.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)是一個完整的計算機(jī)系統(tǒng)，可以使單片機(jī)正常工作，并能正常發(fā)揮其功能[8]。本設(shè)計采用AT89C51單片機(jī)，最小系統(tǒng)包括：AT89C51單片機(jī)、時鐘電路、復(fù)位電路等。如圖4藍(lán)色虛線框內(nèi)所示：

3.1.2時鐘電路

單片機(jī)的時鐘連接方式可以分為內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。在本設(shè)計中用的是內(nèi)部時鐘方式，如圖4黃色虛線框所示。在內(nèi)部時鐘方式中，XTAL1和XTAL2引腳兩端必須連接在石英晶體振蕩器和微調(diào)電容上，單片機(jī)、晶振以及電阻構(gòu)成振蕩電路，C1和C2一般取30pF，晶振的頻率取值在范圍1.2MHz～12MHz之間，在本次設(shè)計中采用的10.1M 的石英晶振。

3.1.3復(fù)位電路

復(fù)位電路設(shè)計如圖4紫色虛線框內(nèi)所示。RST（第九引腳）為復(fù)位引腳，當(dāng)有2個機(jī)器周期以上高電平時，控制器將執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)高水平，單片機(jī)是在一個周期的復(fù)位狀態(tài)。

3.2復(fù)位電路

在鍵盤設(shè)計模塊中，把正反轉(zhuǎn)、急停、加速、減速四個開關(guān)分別與單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3端口相連，然后把它們的公共端再與地相連。其電路如圖4紅色虛線框內(nèi)所示。其中K1：電機(jī)啟動按鍵，K2：加速按鍵，K3：減速按鍵，K4：正反轉(zhuǎn)按鍵。

3.3無刷直流電機(jī)測速電路的設(shè)計

使用霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖信號時，結(jié)構(gòu)一部分將小磁鋼粘在圓盤上，再將圓盤與電機(jī)同軸相連;另一部分是霍爾傳感器，與電機(jī)定位好后，固定在電路板上。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，點(diǎn)帶動圓盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程中不斷地產(chǎn)生脈沖信號[9]。若要獲得多個脈沖信號，可以在圓盤上多粘幾個小磁鋼，并將脈沖送單片機(jī)中進(jìn)計數(shù)，即可獲得轉(zhuǎn)速信息。

3.4電機(jī)控制正反轉(zhuǎn)電路的設(shè)計

通過改變直流電壓，發(fā)動機(jī)速度發(fā)生變化，本設(shè)計采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）來實現(xiàn)速度控制。這里采用H橋電路來控速，如圖3所示，H橋驅(qū)動電路是典型的直流電機(jī)控制電路。橋電機(jī)驅(qū)動電路由四個晶體管和一個電機(jī)組成。要想使電機(jī)轉(zhuǎn)動，必須讓對角線上的一對晶體管導(dǎo)通，電流由左至右或從右至左流過電機(jī)，從而實現(xiàn)電機(jī)不同方向的轉(zhuǎn)動[10]。

3.5顯示電路的設(shè)計

數(shù)碼管是一種可以發(fā)光的半導(dǎo)體元件，給不同引腳輸入電流會使相應(yīng)引腳發(fā)光，在數(shù)碼管上顯示不同的數(shù)字[11]。本設(shè)計選擇采用七位四段數(shù)碼管來顯示速度的變化，如圖4所示。

3.6 系統(tǒng)總體硬件電路

綜上所示，系統(tǒng)整體設(shè)計的硬件電路圖如圖4所示：

4 軟件部分的設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括對每一個模塊進(jìn)行編程，使它能夠?qū)崿F(xiàn)對硬件的控制。在軟件設(shè)計上，要首先考慮，我們需要實現(xiàn)什么樣的功能，達(dá)到什么樣的目的，比如在本設(shè)計中，我們需要產(chǎn)生PWM波，那就要想到需要什么樣的軟件，來產(chǎn)生該信號。所以在軟件設(shè)計時，應(yīng)定義一些標(biāo)志位，比如啟動標(biāo)志位以及閃爍標(biāo)志位的定義等。功能程序如表1所示：

軟件設(shè)計的主程序流程圖如圖5所示：

5 仿真與調(diào)試

5.1系統(tǒng)仿真

仿真是在PROTEUS軟件環(huán)境下結(jié)果如圖6所示。在PROTEUS軟件搭建好仿真電路，將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，運(yùn)行，按下啟動按鍵，電機(jī)轉(zhuǎn)動;按下加速按鍵，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，直到達(dá)到最高速度;按下減速按鍵，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸減慢，直到停止;按下正反轉(zhuǎn)按鍵，電機(jī)可以沿著相反的方向加速或減速。電機(jī)運(yùn)行結(jié)果如圖11中（a）、（b）、（c）、（d）所示：

5.2系統(tǒng)調(diào)試

經(jīng)過不斷地修改和完善，設(shè)計最后基本達(dá)到了要求，當(dāng)接通電源，按下啟動按鈕，電機(jī)可以正常運(yùn)行，按下加速和減速按鍵，電機(jī)相應(yīng)地做加速和減速變化，按下正反轉(zhuǎn)按鍵，電機(jī)可以正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。實物如圖7所示：

6 總結(jié)

本文是基于單片機(jī)的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，主要完成了以下工作：

（1）介紹了無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、電機(jī)調(diào)速的方法，經(jīng)過分析最后采用PWM調(diào)壓方式進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。

（2）根據(jù)任務(wù)要求，設(shè)計出系統(tǒng)的總體原路圖，介紹系統(tǒng)控制原理。

（3）對電路硬件部分進(jìn)行了設(shè)計。硬件部分包括控制單元、驅(qū)動單元、速度檢測和顯示電路，正反轉(zhuǎn)控制電路，過流保護(hù)電路等。

（4）對電路軟件部分進(jìn)行了設(shè)計。首先設(shè)計出系統(tǒng)整體程序流程圖。然后將系統(tǒng)分成若干個模塊，分模塊進(jìn)行程序設(shè)計。

（5）進(jìn)行了仿真調(diào)試，驗證本設(shè)計能實現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速、加速、減速以及電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

雖然本文完成了系統(tǒng)的設(shè)計，但仍然有很大的改善空間。比如電機(jī)調(diào)速的精度，無刷直流電機(jī)運(yùn)行速度較低等。相信隨著無刷直流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和完善，還有很多應(yīng)用潛力會被陸續(xù)開發(fā)出來，應(yīng)用也會越來越廣泛。

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收稿日期：2022-03-03

基金項目：萬物互聯(lián)視域下物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)助力鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略脫貧攻堅應(yīng)用研究（22B520032）

作者簡介：韓佳芳（1991—），女，河南鄭州人，助教，碩士，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、人工智能;李雅迪（1991—），女，河南鄭州人，助教，碩士，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、人工智能;馬琳琳（1992—），女，河南南陽人，中級講師，碩士，主要研究方向為計算機(jī)應(yīng)用技術(shù);魏強(qiáng)（1990—），男，河南鄭州人，主要研究方向為無線通信。