工業(yè)生產(chǎn)中直流電機調速與測速系統設計詳解

1 引言

直流電機是工業(yè)生產(chǎn)中常用的驅動(dòng)設備，具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能。早期直流電動(dòng)機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線(xiàn)性集成電路以及少量的數字電路組成?？刂葡到y的硬件部分復雜、功能單一，調試困難。本方案采用單片機控制系統，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來(lái)完成，為直流電機的控制提供了更大的靈活性，并使系統能達到更高的性能。

2.調速和測速系統的主體電路設計

整個(gè)系統由輸入電路、PWM調制、測速電路、驅動(dòng)電路、控制部分及顯示等部分組成，PWM調制選用AT89S51單片機通過(guò)軟件實(shí)現頻率和占空比的調節。

2.1 直流電機調速的設計方案

驅動(dòng)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(shí)現各種控制要求，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(yáng)數碼管。系統方框圖如圖1所示。

硬件方面以STC89C51單片機為核心，與復位電路、晶振電路、驅動(dòng)電路，測速電路，鍵盤(pán)和LED顯示模塊構成最小系統。軟件上通過(guò)用C51語(yǔ)言編程產(chǎn)生PWM脈沖信號的輸出、鍵盤(pán)、LED顯示器的數據傳輸。通過(guò)鍵盤(pán)調節速度檔位給定值，實(shí)現按給定值跟蹤，在LED顯示器上顯示，最后再由單片機輸出PWM脈沖信號，通過(guò)測速電路把轉速反饋給CPU并且通過(guò)CPU把轉速顯示在LED顯示器上，從而達到想要設定的轉速。

2.2 顯示電路設計

LED采用動(dòng)態(tài)顯示方式，通過(guò)四位數碼管顯示電機的實(shí)際轉速，方便系統的監控，系統用四位共陽(yáng)數碼管、采用9012三極管開(kāi)關(guān)電路驅動(dòng)、控制數碼管的顯示。

2.3 復位電路

單片機復位電路就好比電腦的重啟部分，當單片機系統在運行中，按下復位按鈕內部的程序自動(dòng)從頭開(kāi)始執行。復位電路采用上電自動(dòng)復位和手動(dòng)復位兩種方式，C3、R21、S1組成復位電路。

2.4 時(shí)鐘電路

系統的時(shí)鐘電路設計是采用的內部方式，即利用芯片內部的振蕩電路。AT89系列單片機內部有一個(gè)用于構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(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。3.直流電機驅動(dòng)電路設計

從單片機直接輸出的控制信號無(wú)法直接驅動(dòng)12V直流電機，目前大多采用H橋式驅動(dòng)，為便于制作，驅動(dòng)模塊采用光電耦合器對控制電路和主電路進(jìn)行隔離，達到保護作用。U3輸出PWM控制信號通過(guò)三極管反相驅動(dòng)電機，實(shí)現電機的調速。驅動(dòng)電路圖如圖3所示。

4.測速電路設計

測速模塊由U型光電開(kāi)關(guān)、轉盤(pán)及外圍電路組成，電機轉動(dòng)時(shí)帶動(dòng)轉盤(pán)轉動(dòng)，轉盤(pán)上附有八個(gè)小孔，當轉盤(pán)轉動(dòng)一周產(chǎn)生八個(gè)脈沖信號，由此可以把電機轉動(dòng)的物理量轉換成變化的脈沖信號，經(jīng)Q5開(kāi)關(guān)驅動(dòng)輸送到單片機外部中斷P3.3進(jìn)行計數，實(shí)現對電機速度的監測。測速電路如圖4所示。