工業(yè)生產(chǎn)中直流電機調(diào)速與測速系統(tǒng)設(shè)計詳解

1 引言

直流電機是工業(yè)生產(chǎn)中常用的驅(qū)動設(shè)備，具有良好的起動、制動性能。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成。控制系統(tǒng)的硬件部分復(fù)雜、功能單一，調(diào)試?yán)щy。本方案采用單片機控制系統(tǒng)，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。

2.調(diào)速和測速系統(tǒng)的主體電路設(shè)計

整個系統(tǒng)由輸入電路、PWM調(diào)制、測速電路、驅(qū)動電路、控制部分及顯示等部分組成，PWM調(diào)制選用AT89S51單片機通過軟件實現(xiàn)頻率和占空比的調(diào)節(jié)。

2.1 直流電機調(diào)速的設(shè)計方案

驅(qū)動電路用光耦隔離保護電路，控制部分由單片機和外圍電路組成，實現(xiàn)各種控制要求，外圍電路主要完成對輸入信號的采集、操作、對速度進行控制，顯示部分采用四位共陽數(shù)碼管。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

硬件方面以STC89C51單片機為核心，與復(fù)位電路、晶振電路、驅(qū)動電路，測速電路，鍵盤和LED顯示模塊構(gòu)成最小系統(tǒng)。軟件上通過用C51語言編程產(chǎn)生PWM脈沖信號的輸出、鍵盤、LED顯示器的數(shù)據(jù)傳輸。通過鍵盤調(diào)節(jié)速度檔位給定值，實現(xiàn)按給定值跟蹤，在LED顯示器上顯示，最后再由單片機輸出PWM脈沖信號，通過測速電路把轉(zhuǎn)速反饋給CPU并且通過CPU把轉(zhuǎn)速顯示在LED顯示器上，從而達到想要設(shè)定的轉(zhuǎn)速。

2.2 顯示電路設(shè)計

LED采用動態(tài)顯示方式，通過四位數(shù)碼管顯示電機的實際轉(zhuǎn)速，方便系統(tǒng)的監(jiān)控，系統(tǒng)用四位共陽數(shù)碼管、采用9012三極管開關(guān)電路驅(qū)動、控制數(shù)碼管的顯示。

2.3 復(fù)位電路

單片機復(fù)位電路就好比電腦的重啟部分，當(dāng)單片機系統(tǒng)在運行中，按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動從頭開始執(zhí)行。復(fù)位電路采用上電自動復(fù)位和手動復(fù)位兩種方式，C3、R21、S1組成復(fù)位電路。

2.4 時鐘電路

系統(tǒng)的時鐘電路設(shè)計是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。AT89系列單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。3.直流電機驅(qū)動電路設(shè)計

從單片機直接輸出的控制信號無法直接驅(qū)動12V直流電機，目前大多采用H橋式驅(qū)動，為便于制作，驅(qū)動模塊采用光電耦合器對控制電路和主電路進行隔離，達到保護作用。U3輸出PWM控制信號通過三極管反相驅(qū)動電機，實現(xiàn)電機的調(diào)速。驅(qū)動電路圖如圖3所示。

4.測速電路設(shè)計

測速模塊由U型光電開關(guān)、轉(zhuǎn)盤及外圍電路組成，電機轉(zhuǎn)動時帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤上附有八個小孔，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一周產(chǎn)生八個脈沖信號，由此可以把電機轉(zhuǎn)動的物理量轉(zhuǎn)換成變化的脈沖信號，經(jīng)Q5開關(guān)驅(qū)動輸送到單片機外部中斷P3.3進行計數(shù)，實現(xiàn)對電機速度的監(jiān)測。測速電路如圖4所示。