直流電機(jī)PWM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

1、直流電機(jī)PWM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)-摘要：推出一種使用單片機(jī)的PWM直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中效果良好。    采用硬件電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)已在實(shí)踐中應(yīng)用多年，其硬件組成復(fù)雜，調(diào)整困難，缺乏控制的靈活性。本文介紹的直流電機(jī)PWM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使用低價(jià)位的單片微機(jī)89C2051為核心，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，并可進(jìn)行數(shù)字顯示和速度預(yù)置，方便了使用。電機(jī)調(diào)速采用脈寬調(diào)制方式，與晶閘管調(diào)速相比技術(shù)先進(jìn)，可減少對(duì)電源的污染。本系統(tǒng)已用于健身跑步機(jī)調(diào)速，工作可靠，使用效果良好。圖1是本系統(tǒng)的線路圖，主要有PWM信號(hào)發(fā)生、閉環(huán)調(diào)速微機(jī)控制、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)

2、等幾部分組成。1 PWM 信號(hào)發(fā)生電路    PWM波可由具有PWM輸出的單片機(jī)(如80C198等)通過編程產(chǎn)生，也可采用PWM專用芯片來實(shí)現(xiàn)。PWM波的頻率太高時(shí)，對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率管要求太高，太低時(shí)產(chǎn)生電磁噪聲較大。實(shí)踐應(yīng)用中PWM波的頻率在18kHz左右效果最好。經(jīng)綜合分析，本系統(tǒng)采用兩片4位數(shù)值比較器4585和一片12位串行計(jì)數(shù)器4040組成了PWM信號(hào)發(fā)生電路。兩片比較器U3、U2的A組接4040計(jì)數(shù)輸出Q2Q9端，B組接單片微機(jī)的P1端口。改變P1端口的輸出值，可使PWM信號(hào)的占空比產(chǎn)生變化，進(jìn)行調(diào)速控制。計(jì)數(shù)器4040的計(jì)數(shù)輸入端CLK接單片機(jī)20

3、51晶振的振蕩輸出XTAL2。晶振選用18MHz時(shí)，經(jīng)QOQ2的8分頻，Q2Q9的256分頻，產(chǎn)生的PWM波形的頻率為176kHz，適合光耦及功率開關(guān)管的合理工作范圍。    計(jì)數(shù)器4040每來8個(gè)脈沖，其輸出Q2Q9加1，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于或等于單片機(jī)P1端口輸出值X時(shí)，U2的(A>B)輸出端保持為低電平，當(dāng)計(jì)數(shù)值大于X時(shí)U2的(A>B)輸出端為高電平。隨著計(jì)數(shù)值的增加，Q2Q9由全“1”變?yōu)槿癘”時(shí)，(A>B)輸出端又變?yōu)榈碗娖?，這樣，在U2的(A>B)端得到PWM的信號(hào)，其占空比為(255-X/255)×100，改變X值可改變P

4、WM信號(hào)的占空比，進(jìn)行直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。使用此方法單片機(jī)只需根據(jù)調(diào)整量輸出X值，PWM信號(hào)由三片通用數(shù)字電路生成，使軟件大大簡(jiǎn)化，有利于單片機(jī)系統(tǒng)正常工作。由于單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)P1端口輸出全“1”，使用4585的B組與P1端口相連，升速時(shí)PO端口輸出X按一定規(guī)律減少，降速時(shí)按一定規(guī)律增大。 圖1  直流電機(jī)PWM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖2  單片微機(jī)閉環(huán)速度控制電路    本系統(tǒng)的閉環(huán)控制選用低價(jià)位的單片機(jī)89C2051，與帶PWM輸出的80C552及80C198相比，無(wú)需外擴(kuò)EPROM，且價(jià)格低的多。2051單片機(jī)片內(nèi)有2K的flash

5、程序存儲(chǔ)器，15個(gè)I/O口，兩路16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，指令及中斷系統(tǒng)與8031兼容，給閉環(huán)速度控制帶來很大的靈活性。    閉環(huán)速度控制中傳感器選用霍爾傳感器，小磁鋼固定在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上，每轉(zhuǎn)一周輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)經(jīng)施密特觸發(fā)器U6-1，U6-2整形后，輸入到2051單片機(jī)的INTO中斷口P32端口上。軟件設(shè)置INTO為下降沿中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序后開啟定時(shí)/計(jì)數(shù)器O進(jìn)行定時(shí)，測(cè)出每轉(zhuǎn)的周期，再由軟件計(jì)算出控制值X，由P1端口輸出PWM波占空比的控制數(shù)。軟件中還可進(jìn)行顯示線速度或角速度的轉(zhuǎn)換計(jì)算，由八位驅(qū)碼驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。預(yù)置速度由按鍵S1

6、、S2輸入，進(jìn)行“+”“ -”控制，預(yù)置數(shù)也由LED數(shù)碼管顯示。    顯示使用了高集成度的MAX7219串行LED顯示驅(qū)動(dòng)器，帶動(dòng)八位LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示，前四位顯示當(dāng)前運(yùn)行速度，后四位顯示預(yù)置速度。MAX7219是24腳窄封裝芯片，串行口工作頻率最高10MHz，八位LED顯示，通過對(duì)譯碼模式寄存編程，可控制各位顯示方式(BCD碼或非譯碼)，顯示是片內(nèi)動(dòng)態(tài)掃描模式，通過一個(gè)電阻和編程可控制亮度，并可多個(gè)芯片串聯(lián)顯示多達(dá)64位共陰極LED數(shù)碼管。MAX7219的數(shù)據(jù)輸入端DIN、時(shí)鐘端CLK、數(shù)據(jù)鎖定端L分別與2051單片機(jī)的P3.0、P3.1、P3.5端口相接。

7、改變電阻R6的阻值可調(diào)整顯示亮度，R6取值在3.910kQ之間。使用MAX7219不僅可減少硬件電路，由于是片內(nèi)動(dòng)態(tài)掃描顯示，并可降低功耗和簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)。    2051單片微機(jī)的上電復(fù)位使用了MAX812電壓監(jiān)控器，上電時(shí)約有200 ms的延遲，以保證復(fù)位正常進(jìn)行。為了防止掉電后預(yù)置數(shù)丟失，使用了使用備用電池保護(hù)2051單片機(jī)片內(nèi)RAM數(shù)值。電源經(jīng)變壓整流后，一路經(jīng)DC-AC開關(guān)電源輸出5V直流電壓給單片機(jī)系統(tǒng)供電，一路經(jīng)三端穩(wěn)壓元件7812穩(wěn)壓輸出12V電壓供驅(qū)動(dòng)大功率開關(guān)管使用。單片機(jī)系統(tǒng)電源與驅(qū)動(dòng)電路部分電源隔離，以提高系統(tǒng)工作的可靠性和安全性。3

8、0; 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路    直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理如圖2所示。     U2生成的PWM信號(hào)經(jīng)施密特反相器U6-3驅(qū)動(dòng)光電耦合器O1，送至直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。大功率開關(guān)管選用N溝道VMOS功率場(chǎng)效應(yīng)管，它為壓控元件，具有很高的輸入阻抗，因而驅(qū)動(dòng)功率很小，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求也較低。經(jīng)光電耦合器傳送的PWM信號(hào)，經(jīng)并聯(lián)使用的六施密特反相器，接到VMOS功率管Y1的柵極上，直接驅(qū)動(dòng)即可。穩(wěn)壓管D4和電阻R8起保護(hù)作用。VMOS功率管的源極接直流電機(jī)繞組，經(jīng)感抗器接電機(jī)直流電源負(fù)端。漏極接電機(jī)直流電源正端。快速關(guān)斷二極管D3起保護(hù)作用

9、，消除VMOS功率管開關(guān)過程由電機(jī)繞組產(chǎn)生的感生電勢(shì)。電源是交流電壓經(jīng)C7、ZL、C8組成的濾波器后，由高壓橋整流器件Z2整流，高壓電解電容濾波后供VMOS功率管。VMOS功率管，快速關(guān)斷二極管及高壓電解電容器及整流橋等根據(jù)選用直流電機(jī)的電壓、功率等要求確定相應(yīng)型號(hào)和參數(shù)。4  結(jié)束語(yǔ)    本文所述的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)以低價(jià)位單片微機(jī)89C2051為核心，PWM波的生成使用三片通用數(shù)字電路，顯示使用了高集成度的八位LED串行譯碼驅(qū)動(dòng)器MAX7219，電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用VMOS場(chǎng)效應(yīng)管，反饋信號(hào)使用霍爾傳感元件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。使用單片機(jī)定時(shí)器對(duì)傳動(dòng)軸的周期進(jìn)行檢測(cè)，可由軟件計(jì)算出相應(yīng)的線速度或角轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示，并可進(jìn)行速度定量預(yù)置。軟件中可用PLD算法或查表的方法確定閉環(huán)控制的