■研究与设计 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｒｆｌＪ ‘ｆ４Ｌ Ｉ：Ｉｂ秽【 目 ：ｌＩＪＩ系统ＩＩ＇Ｉ＇ｌ＂Ｊ Ｊ，￣ｆ ＪＩＪ 片机 三ＩＩ】Ｉ机调逑控制系统Ｉｆ｜的 ＩＩ 青岛橡胶轮胎有限公司韩红敏 摘要：本文通过对单片机和电机调速控制系统的研究和分析，设计了基于单片机的电机调速控制系统。 该控制系统以小型电机作为被控对象，通过ＡＴ８９Ｃ５２单片机输出ＰＷＭ脉冲控制信号，然后经功率放大 模块后直接驱动电机，通过按钮的形式来完成电机的减速和加速控制。本文所设计的控制系统采用的是 开环调速装置易实现，并且成本低廉，实践应用表明，本文所设计的控制系统在实际应用中运行稳定、 性能可靠。 关键字：电机调速；ＡＴ８９Ｃ５２单片机；脉宽调制 １引言 日前，电子产品当中，无论是家用 代替有刷电动机［２１。 因兀刷直流电动机具有调速范围 诸多领域得到广泛应用。在脉宽调制调 速控制系统中，电动机电枢端的电压是 宽，可实现平滑调速，启动电流小、转 矩大，控制方便，可靠性能高等优势， 因此在机械生产过程中得到广泛的应 用。无刷直流电动机的调速方式，最简 单常用的办法是通过改变电机电枢两端 的电压来实现调速，即通过调节滑动变 通过脉宽可调的脉冲电压来进行控制 的，在控制器输Ｈ｛的脉冲频率较高的前 提下，并且由于电机惯性的存在，因此 按照一定的规律保持通断电的时间，即 可保持电动机具有一个稳定的速度。采 用ＰＷＭ技术的无刷直流电动机无级调 速控制系统，具有启动时直流电流小， 扁动功耗低、电机运行平稳等特点＿４】。 电器、电子仪器和电子玩具等领域，直流 电机部应用的十分广泛。从上世纪８Ｏ年 代开始，无刷直流电机就已经开始大规模 地应用，随着电机的发展，正弦波和方波 直流电机也先后研制成功。目前，兀刷直 流电机结构包含了电机本体、变速装置、 传感器检测元件、控制系统硬件和软件等 多个方面，成为新一代的直流电机调速系 统…。直流电机优越的凋速性能在多个方 面得到体现：可无级调速简化调速模式 阻器的阻值改变电机电枢两端的电压， 从而达到平滑调速的目的。但由于滑动 变阻器在变压的过程中要消耗一部分的 电压，容易造成资源的浪费，因此传统 的调速方法电能转化率很低１］】。 日前，随着电子技术的飞速发展， 已经出现了很多新的电枢电压调节方 ２控制系统硬件设计 ２。１硬件设计的基本方案 宽广的调速范围，启动电流小、转矩大， 运行平稳，机械效率高，无论是工业用还 是民用都应用极其广泛，如家用电动自行 车、助力车、抽炯机、录相机、榨汁机、 净化机、数控机床、电子计算机等。现在， 本文为达到满足设计目的的要 求和节约成本的目的，主控制器采 用ＡＴ８９Ｃ５２单片机，通过单片机发 法，其中ＰＷＭ（脉宽调制）控制是现 在电机应用中常用的一种调速方法。 ＰＷＭ脉宽调制信号经功率放大模块进 脉宽调制是通过微处理器的数字信号输 ｝Ｈ来控制模拟电路的一种有效的应用技 行输Ｉ叶Ｉ，其它外围电路包括供电电源、 操作键盘和直流电动机驱动电路。如图 美国、日本、英国、德国等国家在自动化 领域中已经开始慢慢地实现了以无刷电机 术，在通信、测量和功率控制与变换等 １所示为控制系统框图 Ｉ。 ６２ ｌ智能机器人 ＮＴＥ Ｌ ＬＧＥＮＴ ＲＯＢＯＴ 《智能机器人》Ｏｃｔｏｂｅｒ．２０１６一： Ｃｌ ２∞ｕｒｎ６Ｖ 图１控制糸统框图 图３电机驱动部分电路图 ２．２供电部分设计 因 片机需５Ｖ的供电电压， 此供电部分选择了 ２２０Ｖ－７．５Ｖ的变压隔离变难器、四个晶体管的整流桥整流稳瓜 电路、滤波电容和稳压集成７８Ｍ０５模块，经稳压后输ｌ叶Ｉ稳定 的５Ｖ电压，如同２所示为供电部分电路同，为整个控制装置 提供电能。 ２．３电机驱动设计 本文是通过ＡＴ８９Ｃ５２单片机输ｆ“ＰＷＭ脉宽调制信 号，但由于选Ｈ｛的单片机输ｆ｝Ｉ电流比较小（输 直流电流为 ２５ｍＡ），不能直接应用单片机的输Ｌ叶ｌ来直接驱动无刷直流电 动机，因此必须对单片机的输｝ｆＪ ＰＷＭ信号进行功率放大设计。 将Ｃ５２单片机的脉宽信号输 Ｌｑ Ｐ３．２通过上拉电阻Ｒ１送入 ＴＩＰＩ２７功率放大管中完成输ｍ信号的功率放大，信号经功率 放大模块后就可直接驱动电动机运转。如图３所示为电机驱 动部分电路原理图。其中电容Ｃｌ选用２２０ｕｆ／１６Ｖ的滤波电容， ｃｌ的作用主要是使直流电机的输入电压平滑，同时也起到ｉ 极管关断后的续流作用 ｌ。 图４控制程序流程图 系统实现的加速按钮功能：按一下加速按钮，单片机输 Ｈ｛ＰＷＭ脉宽信号的占空比将增加１／４０，并自动锁定该占空 比直到下一次变化； 系统实现的减速按钮功能：按一下减速按钮，单片机输 出ＰＷＭ脉宽信号的占空比将减小１／４０，并自动锁定该占空 ３软件设计 电机调速控制系统程序设计部分开机后先进行程序的初 始化，初始化结束后输｝｝｛一个占空比为０的ＰＷＭ脉宽信号， 然后启动扫描键盘的程序。如图４所示为基于单片机的直流 电机调速控制系统程序流程图。 比直到下一次变化。 在占空比发生变化后，单片机会自动进行占空比大小的 判断，若设定的占空比大于０而小于１时单片机通过输｝ｌ Ｉｎ 将ＰＷＭ脉宽信号进行输…。当占空比大于１时单片机将输 占夺比为ｌ的全通ＰＷＭ脉宽信号，当占空比比０ ｄ，ｕ，ｔ则 输｝ｆＩ占空比为０的全断ＰＷＭ脉宽信号，并通过点亮红色发 光二极管进行报警提醒 。 在按键扫描过程中没有按 键按下时，运行程序将按照上 次保持的原有占空比进行输 程序运行完，会再一次进行键 盘的程序扫描。电机调速的大 小是通过单片机ＡＴ８９Ｃ５２输，ｌｆｊ 图２供电部分电路图 的ＰｗＭ脉宽信号的进行控制的，在程序设计中采用了定时 ６３ ｌ智能机器人 一研究与设计 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ・＿ｆｌ 机 ：Ｉ 机测述 制系统ｌＩＩ的 川 器中断功能，可通过操作按键对定时器的初值进行修改，从 而可得到所需占空比的脉冲信号。如图５所示为修改定时器 ４结论 本文所设ｉ１‘的控制系统以单片机ＡＴ８９Ｃ５２为处理器， 采用了，ＰＷＭ脉宽调制的方法进行电机的调试，控制电路中 初值的程序流程图。 采用功率放大管ＴＩＰ１２７实现单片机输出的ＰｗＭ脉宽信号的 功率放大从而驱动微型直流电机。在整个控制系统设计中， 硬件电路简单可靠，采用了较少的元器件和成本，实现了对 电机速度的控制。本文所设计的系统已在实践巾得到应用并 且系统运行可靠、平稳。 参考文献 【１１杨琳琳数字直流调速系统的设计与应用【ＤＩ：合肥：合肥工业 大学，２（）０７． 【２Ｊ梁正峰，王磊电动自行车用无刷直流电动机控制系统研究 电气传动自动化２０（）４．２６：１—３ 韦敏，季小尹．ＭＣ３３（１３５在直流无刷电机控制中的应用【Ｊ】ｌ电 工技术杂志．２００４，１ １：８３—８５ 【４】贾玉英，王臣．基于单片机控制的ＰＷＭ直流调速系统Ｌ¨．包 头钢铁学院学报，２００５，１２：１２—１５． 图５定时器初值修改程序流程图 【５１黄灿水，林荣文，林珍．无刷直流电动机控制器…．设计与环 境．２００４．２：４５—４７． 软件程序设计中采用定时器１来完成定时中断功能，晶 振频率为ｌ２ＭＨｚ，单片机寄存器的设置如下：设置定时器参 数ＴＭＯＤ＝０ｘ０２：选择定时器ｌ，并使其自动启动， 作方式 为１定时器的赋值范围为０－６５５３５，对应ＰＷＭ的占空比为 ｆ６１刘锦波，张承慧．电机与拖动【Ｍｌ北京：清华大学出版 社．２０（｝６：１４—１５ 【７】王幸之．ＳＴＣ系列单片机原理与接口【Ｍ】北京：北京航空航天 大学出版社，２００４，４—１３． ０－１，数值每增加或减少８００，高电平的得电时问将增加或减 少ｌｍｓ，占空比增加１／４０。 作者简介 韩红敏（１９７５一）女工程师青岛橡胶轮胎有限公司研究方向： 自动化控制． 使能信号ＥＡ＝１：表示打开总中断；ＥＴＩ＝Ｉ：表示定时器 Ｔｌ允许中断：ＴＲＩ＝Ｉ：表示启动定时器Ｔｌ［ 。 上接６１页 的结合，通过ＭＡＴＬＡＢ仿真软件分别埘普通ＰＩＤ和结合后的 模糊神经ＰＩＤ的静态特性和动态特性进行实验对比，仿真结 果表明，结合后的模糊神经ＰＩＤ控制系统具有良好的鲁棒性， 能极大的缩短响应时间，加快响应速度，提高系统的稳定性。 ｉｆｃｉｅｎｔ？［Ｃ１．Ａｍｓｔｅｒｄａｍ：ＳＰＥ／ＩＡＤＣ２１９５７，１９９１． Ｉ５】倪云峰，刘丁．智能控制器在机器人机械手位置控制中的应用， 长安大学学报（自然科学版），２０（）４，２４（３）：１０８—１】０． 【６］ＬＩＡＮＧ Ｙａｈ—Ｃｈｕｎ．Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ Ｅｈｎａｎ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｍｏｄｅｌ ａｎｄ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒＮｏｎ—ｌｉｎｅａｒ ＳｙｓｔｅｎｌｓｌＪ］．Ｅｎ￣ｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌ一 ０ｇｙ Ｅｄｉｔｉｏｎ，２（）０５，３５（５）：５１ １—５１９． 【７］ＵＳＮＲＣ．ＤＩ＆Ｃ—ＩＳＧ～０２ Ｉｎｔｅｒｉｍ ｓｔａｆｆｇｕｉｄａｎｃｅ ｏｎ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ａｎｄ ｄｅ— 参考文献 …刘平全，崔学政，董磊．钻井平台的钻杆排放方式及其自动化 操作系统，中国海洋平台，２０１（），２５（１）：５１—５６． ｆｅｎｓｅ—ｉｎ—ｄｅｐｔｈ ｉｓｓｕｅｓ［Ｓ］．２００７ ｆ８张秀玲，郑翠翠，贾春玉，基于模糊神经网络ＰＩ８１Ｄ控制的污水 处理应用研究，化工自动化及仪表，２０１０，３７（２）：１１—１３． 【９】ＵＳ ＮＲＣ．ＤＩ＆Ｃ～ＩＳＧ一０３ Ｉｎｔｅｒｉｍ ｓｔａｆｆ￣ｆｉｄａｎｃｅ ｏｎ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｎｅｗ ｒｅａｃｔｏｒ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃ ｒｉｓｋ ａｓｓｅｓｓ— Ｉ２１刘文庆，崔学政，张富强．钻杆自动排放系统的发展及典型结构， 石油矿场机械，２（）０７，３６（１ １）：７４—７７． 【３］Ｄａｖｉｄ，Ｒｅｉｄ，Ｖａｒｃｏｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．Ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｒｉｇｓ［Ｒ］．Ｄａｌｌａｓ：ＩＡＤＣ／ＳＰＥＤｒｉｌｌｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９８． 【４１Ｊａｃｑｕｅｓ Ｍ Ｅ，Ｈｅｒｓｔ Ｎ Ｗ．Ｐｉｐｅ—Ｒａｃｋｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ：Ａｒｅ Ｔｈｅｙ Ｃｏｓｔ Ｅｆ－－ ｍｅｎｔｓｉＳ］２０（１８． 【１０］ＵＳＮＲＣ．ＤＩ＆Ｃ—ＩＳＧ一（１４ Ｉｎｔｅｒｉｍ ｓｔａ吣ｕｉｄａｎｃｅ ｏｎ ｈｉｇｈｌｙ—ｉｎｔｅ— ｇｒａｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｏｏｎｌｓ—ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｓｓｔｉｅｓ（ＨＩＣＲｃ）［Ｓ】２【）０７． ６４ ｌ智能机器人
