直流電機(jī)調(diào)速與測速電路模塊設(shè)計(jì)

　　直流電機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的無級調(diào)速特性。利用PWM脈沖信號的占空比決定輸出到直流電機(jī)的平均電壓的大小。通過調(diào)節(jié)占空比，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，而且輸出電壓可以實(shí)現(xiàn)無級連續(xù)調(diào)節(jié)。本文以AT89S51單片機(jī)為核心，提出了基于直流電機(jī)調(diào)速與測速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，然后給出了系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)，以及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。本方案充分利用了單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有頻率高、響應(yīng)快的特點(diǎn)。直流電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中常用的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成?？刂葡到y(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(jī)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，為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。

　　調(diào)速和測速系統(tǒng)的主體電路設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)由輸入電路、PWM 調(diào)制、測速電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制部分及顯示等部分組成，PWM 調(diào)制選用AT89S51單片機(jī)通過軟件實(shí)現(xiàn)頻率和占空比的調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)電路用光耦隔離保護(hù)電路，控制部分由單片機(jī)和外圍電路組成，實(shí)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(jìn)行控制，顯示部分采用四位共陽數(shù)碼管。

　　硬件方面以STC89C51單片機(jī)為核心，與復(fù)位電路、晶振電路、驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)按給定值跟蹤，在LED 顯示器上顯示，最后再由單片機(jī)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(dá)到想要設(shè)定的轉(zhuǎn)速。

　　直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

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

　　測速電路設(shè)計(jì)

　　測速模塊由U 型光電開關(guān)、轉(zhuǎn)盤及外圍電路組成，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤上附有八個(gè)小孔，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周產(chǎn)生八個(gè)脈沖信號，由此可以把電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的物理量轉(zhuǎn)換成變化的脈沖信號，經(jīng)Q5開關(guān)驅(qū)動(dòng)輸送到單片機(jī)外部中斷P3.3進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的監(jiān)測。測速電路如圖4所示。

　　設(shè)計(jì)中應(yīng)用了比較常見的光電測速方法來實(shí)現(xiàn)，其具體做法是將電機(jī)軸上固定一圓盤，在測速模塊中U 型光耦。通過轉(zhuǎn)盤上八個(gè)圓孔，產(chǎn)生脈沖信號。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到孔處時(shí)，發(fā)光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)通，反之三極管截止。U 型光電開關(guān)與轉(zhuǎn)盤的安裝如圖5所示：把轉(zhuǎn)盤固定在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，安裝U 型光耦，把光耦插入轉(zhuǎn)盤上，用螺絲固定，轉(zhuǎn)盤邊要安裝在U 型光電開關(guān)的槽中間。

　　基于單片機(jī)控制直流電機(jī)的測速與調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是將輸入的信號通過單片機(jī)轉(zhuǎn)換后輸出控制信號通過驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且能實(shí)時(shí)監(jiān)控直流電動(dòng)機(jī)的速度。由于采用的是PWM控制技術(shù)可以達(dá)到高精度的速度控制。測速采用光電開關(guān)，輕松實(shí)現(xiàn)速度的檢測，為此，方案中所設(shè)計(jì)的直流電機(jī)的測速與調(diào)速系統(tǒng)具有速度輸入、檢測、顯示、脈寬調(diào)制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等主要電路，便于對電機(jī)速度進(jìn)行控制與顯示。