直流电动机由于转速调节灵活、技术成熟、调速平滑以及控制性能好的特点, 广泛应用于数控机床, 工业机器人等工厂自动化设备中。随着自动化控制系统的快速发展及应用, 利用先进的单片机技术制造出技术成熟可靠的直流电机控制系统, 对于促进直流电动机的应用具有非常重要的实际意义。由于单片机具有体积小、集成度高、运算速度快、运行可靠、应用灵活、价格低廉以及面向控制等特点, 因此在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和各种家用电器等领域得到广泛的应用。随着单片机应用技术水平不断提高, 目前单片机的应用领域已经遍及几乎所有的领域。现在国内外工业上对电机的调速基本已经不再使用模拟调速, 而采用数字调速系统, 而数字调速系统大部分都是用单片机来进行控制, 数字调速系统具有控制精确度高, 非常稳定, 受环境影响小, 效率高等优点, 所以在国内外的使用越来越广泛。与交流电动机相比, 直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难, 但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等许多优点, 因此在许多行业仍大量应用。
直流电机的调速主要有以下几种。
(1) PWM直流调整系统。其原理是将直流控制信号与三角波经调制电路产生一系列脉宽不等的脉冲信号, 做功率放大后驱动大功率器件。控制调制方波的占空比, 便可以改变输出平均电压。将PWM输出电压接至直流电动机的电枢两端, 便可组成性能优良的调速系统。该调速系统的优点是调速范围广、效率高、响应速度快、电流脉动小及对电网污染小。
(2) 电枢串电阻调速。电枢回路串接电阻后, 电动机的机械特性的斜率随电阻的改变而改变, 在恒负载下使转速发生变化。该调速方式的优点是控制装置很简单;但是转速受负载的影响较大, 在空载时几乎没有调速作用, 而在重载低速运行时特性显得太软, 而且功耗很大。
(3) 改变电枢电压调速。当电动机采用这种方式, 其机械特性随电枢电压的改变而产生平移, 所以它的调速范围较广。电枢电压的调节常用晶闸管整流装置实现, 但低速运行时功率因数变低, 而且在交流侧出现较多的谐波成分, 对电网不利。
(4) 双闭环直流调速系统。该系统的反馈量电流和转速信号, 分别送入电流调节器和速度调节器。调节器按P-I (比例—积分) 方式实现调节。由电流调节器组成的闭环称为电流环。由速度调节器组成的闭环称为转速环, 电流环用于控制电流, 转速环用于控制转速。
近年来, 直流电动机的机构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现, 采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制 (Pulse Width Modulation, 简称PWM) 已成为直流电机新的调速方式。相对于其他用硬件或者硬软结合的方法实现对电机进行调整, 采用PWM的方法来实现调速过程, 具有更大的灵活性和更低的成本, 能够充分发挥单片机的效能, 对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。
脉宽调制 (PWM) 调速是利用数字输出对模拟电路进行控制的技术, 利用PWM技术容易与数字控制器相联接。此外利用单片机来做PWM发生器的优点主要是由于系统设计成本大大降低。同时将PWM发生器模块设计在中心控制芯片内, 不仅简化了系统的接口, 而且使控制器更容易控制PWM波。
对于单片机控制电机调速系统, 主要以单片机 (89C51) 为核心, 通过单片机控制, C语言软件编程控制产生PWM信号, 控制固定电压的直流电源开关频率, 从而改变负载两端的电压, 进控制电机驱动电路使之工作在占空比可调的开关状态, 实现对直流电机的平滑调速, 主要由可调直流电机驱动部分及程序、电机转速转换脉动电路部分以及LCD显示屏驱动程序组成。
(1) 单片机控制单元。单片机控制单元的选用应当遵循低功耗、高性能的原则, 现阶段通常选用8位CMOS微控制器, 其具有高密度、非易失存储以及与80C51引脚和指令系统完全兼容的优点。 (2) 显示器。显示其主要采用LCD液晶显示器, 作为一种功耗极低的显示器件, 具有省电以及信息量大的特点而且易于彩色化, 没有电磁辐射, 寿命长。 (3) 测速传感器。转速的采集主要使用传感器是红外对管, 其优点主要有以下几方面:红外对管的价格低廉;红外对管的灵敏度虽然不是很高但完全能够满足低压直流电机的速度采集;红外对管的驱动和信号转换电路比较简单。红外线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件, 其核心部件是一个特殊材料的PN结, 携带能量的红外线光子进入PN结后, 把能量传给共价键上的束缚电子, 使部分电子挣脱共价键, 从而产生光生载流子。在光电导特性作用下, 红外线接收二极管在一般照度的光线照射下, 所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载, 负载上就获得了电信号, 而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
一般情况下, 软件主要由主程序、中断子程序以及PID算法子程序以及显示子程序组成。主程序是一个循环程序, 中断子程序包括外部中断以及定时中断。
随着数字系统的飞速发展, 以微控制器为核心的数字调速系统是目前调速系统的发展趋势, 通过利用数字形式的微处理器以及芯片, 避免了数模转换过程中的信号噪声影响, 同时提高了调速性能, 随着新型的电力电子功率元器件的逐步发展, 采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制已成为直流电机新的调速方式, 通过借助开关频率高、低速运行稳定、动态性能良好、效率高的优点, 单片机控制电机调速技术必然会进一步发展完善。
摘要：本文基于应用单片机控制电机调速技术, 首先概述了直流电机调速方式, 进而分析了应用单片机控制电机调速的技术优势, 并介绍了应用最为广泛的PWM技术原理, 进而通过设计实例 (以89C51为例) , 介绍了应用单片机控制电机调速系统的设计流程。
关键词：单片机,直流电机,调速,PWM技术
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