直流电机调速与测速系统设计

直流电机调速与测速系统设计

【摘要】直流电机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性。利用PWM 脉冲信号的占空比决定输出到直流电机的平均电压的大小。通过调节占空比，可以实现调节输出电压的目的，而且输出电压可以实现无级连续调节。以AT89S51单片机为核心的直流电机调速与测速系统的设计方法，给出了系统的主电路结构，以及驱动电路设计和系统软件设计。充分利用了单片机的优点，具有频率高、响应快的特点。

【关键词】直流电机；单片机；调速测速；PWM；占空比

直流电机是工业生产中常用的驱动设备，具有良好的起动、制动性能。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成。控制系统的硬件部分复杂、功能单一，调试困难。采用单片机控制系统，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。

1.基于单片机的PWM直流调速原理

PWM（脉冲宽度调制Pulse Width Modulation）简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术，广泛应用在测量、功率控制与变换等许多领域中。脉宽调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极的偏置，改变晶体管导通时间。是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压。所以通过调节占空比，可以实现调节输出电压无级连续调节。

2.调速和测速系统的主体电路设计

整个系统由输入电路、PWM调制、测速电路、驱动电路、控制部分及显示等部分组成，PWM调制选用AT89S51单片机通过软件实现频率和占空比的调节。

2.1 直流电机调速的设计方案

驱动电路用光耦隔离保护电路，控制部分由单片机和外围电路组成，实现各种控制要求，外围电路主要完成对输入信号的采集、操作、对速度进行控制，显示部分采用四位共阳数码管。系统方框图如图1所示。

硬件方面以STC89C51单片机为核心，与复位电路、晶振电路、驱动电路，测速电路，键盘和LED显示模块构成最小系统。软件上通过用C51语言编程产生PWM脉冲信号的输出、键盘、LED显示器的数据传输。通过键盘调节速度档位给定值，实现按给定值跟踪，在LED显示器上显示，最后再由单片机输出PWM 脉冲信号，通过测速电路把转速反馈给CPU并且通过CPU把转速显示在LED 显示器上，从而达到想要设定的转速。

2.2 显示电路设计

LED采用动态显示方式，通过四位数码管显示电机的实际转速，方便系统的监控，系统用四位共阳数码管、采用9012三极管开关电路驱动、控制数码管的显示。

2.3 复位电路

单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当单片机系统在运行中，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。复位电路采用上电自动复位和手动复位两种方式，C3、R21、S1组成复位电路。

2.4 时钟电路

系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89系列单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。

3.直流电机驱动电路设计

从单片机直接输出的控制信号无法直接驱动12V直流电机，目前大多采用H 桥式驱动，为便于制作，驱动模块采用光电耦合器对控制电路和主电路进行隔离，达到保护作用。U3输出PWM控制信号通过三极管反相驱动电机，实现电机的调速。驱动电路图如图3所示。

4.测速电路设计

测速模块由U型光电开关、转盘及外围电路组成，电机转动时带动转盘转动，转盘上附有八个小孔，当转盘转动一周产生八个脉冲信号，由此可以把电机转动的物理量转换成变化的脉冲信号，经Q5开关驱动输送到单片机外部中断P3.3进行计数，实现对电机速度的监测。测速电路如图4所示。

设计中应用了比较常见的光电测速方法来实现，其具体做法是将电机轴上固定一圆盘，在测速模块中U型光耦。通过转盘上八个圆孔，产生脉冲信号。电动机转到孔处时，发光二极管通过缝隙将光照射到光敏三极管上，三极管导通，

反之三极管截止。

U型光电开关与转盘的安装如图5所示：把转盘固定在电动机的转轴上，安装U型光耦，把光耦插入转盘上，用螺丝固定，转盘边要安装在U型光电开关的槽中间。

5.调速和测速系统的软件设计

系统软件采用C51语言开发，模块化设计。定时器中断工作在16位计数方式，实现数码管显示、PWM控制。外部中断采用负边沿触发，实现电机转速的测量。程序流程图如图6。

6.小结

基于单片机控制直流电机的测速与调速系统设计是将输入的信号通过单片机转换后输出控制信号通过驱动电路调节直流电动机的转速，并且能实时监控直流电动机的速度。由于采用的是PWM控制技术可以达到高精度的速度控制。测速采用光电开关，轻松实现速度的检测，为此，所设计的直流电机的测速与调速系统应具有速度输入、检测、显示、脉宽调制、电机驱动等主要电路，以便对电机速度进行控制与显示。

参考文献

[1]邹益民.单片机C语言教程[M].北京：中国石化出版社，2009.

[2]王静霞.单片机应用技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

[3]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2012.