一种基于单片机的直流电动机的调速系统
第 4卷 第 3期
2005年 9月
常 州 信 息 职 业 技 术 学 院 学 报
Journal of Changzhou Vocational College of Information Technology
Vol. 4 No. 3
Sep. 2005
收稿日期 : 2005205230
作者简介 :戴白刃 (19592) ,男 ,高级工程师 ,从事研究方向 :计算机应用
一种基于单片机的直流电动机的调速系统
戴白刃
(常州信息职业技术学院软件学院 江苏常州 213164)
摘 要 :根据实际应用需求 ,介绍一种直流电动机的调速原理 ,给出基于 PH IL IPS P87LPC768单片机的直流电动机的调速方
案。较详细地说明调速方案各功能模块实现的方法。该方案实现的调速稳定可靠 ,系统成本低廉 ,并具有一定的推
广价值。
关键词 :单片机 ; 直流电动机 ; 调速系统 ; PWM技术
中图分类号 : TM 33 文献标识码 : A 文章编号 : 167222434( 2005) 0320027203
The Tim ing System of D irect Current Electromotor
Based on SCM
DA IBai2ren
( Software College, Changzhou College of Information Technology, Changzhou 213164, China)
Abstract :Based on the p ractical demands, the article introduces the tim ing theory of direct current electromotor. Based on PH IL IPS
P87LPC768 SCM's direct current electromotor, it gives the tim ing scheme and realization method. The scheme can make the
tim ing steady and the cost of the system cheap.
Key words : SCM; direct current electromotor; system of tim ing; PWM
0. 引言
直流电动机以其良好的线性调速特性、简单的
控制性能、较高的效率、优异的动态特性 ,一直占据
着调速控制的统治地位。虽然近年不断受到其他电
动机 (如交流变频电动机、步进电动机等 )的挑战 ,
但直流电动机仍然是许多调速控制电动机最优选
择 ,在生产、生活中有着广泛的应用。因此 ,对其调
速系统的经济性要求比较高 ,此外许多直流电动机
采用机械换向及电刷 ,在其运行过程中会产生严重
干扰 ,对其调速系统的可靠性要求也很严。根据实
际应用要求 ,给出了一种基于单片机的低成本、高可
靠、宽调速范围 (从 10～30000 rpm /m in)的直流电
动机调速系统设计方案。
1. 调速信号的产生
众所周知 ,直流电动机转速 n可表示如下 :
n =U - IR
式中 : U ———电枢端电压;
I———电枢电流;
R ———电枢电路总电阻;
<———每级磁通量;
k———电动机结构参数。
从式中可知 ,改变 U、<、R 等变量都可达到调速
的目的 ,但最方便有效的调速方法是对电枢电压 U
进行控制。控制电压的方法有多种 ,本文采用广泛
应用的脉宽调制 PWM 技术控制电动机电枢的电
压。所谓 PWM 控制技术 ,就是利用半导体开关器
件的导通与关断 ,把直流电压变成电压脉冲列并通
过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的 ,因
此问题的关键是要产生 PWM 信号 ,产生 PWM 信号
有 4种方法 : ①分立电子元件组成的 PWM 信号发
生器 这种方式是用分立的逻辑电子元件组成 PWM
信号电路 ,是较早采用的方法 ,可靠性、可调性较差 ;
②软件模拟式 利用单片机的一个 I/O引脚 ,通过软
件对该引脚输出高低电平来模拟 PWM 波 ,该方法
占用 CPU 的时间较多 ,控制软件较复杂 ; ③专用
PWM集成电路 采用芯片制造商生产专用的 PWM
集成电路芯片 ,该方法功能强 ,但增加了调速系统的
成本开销 ; ④单片机的 PWM 口 新一代的许多单片
机具有 PWM 功能。通过单片机的初始化设置 ,使
其自动发生 PWM脉冲波 ,只有在改变脉冲宽度时 ,
CPU才进行干预 ,该方法控制直流电动机转速简
单、可靠。本方案就采用单片机的 PWM 口产生控
制信号的方法控制电压。
2. 单片机的选择
目前 ,市场上单片机种类繁多 ,功能、价格也相
差很大 ,因此需精心选择一种适合于电动机调速又
能满足实际高可靠、低价格需求的单片机。经多方
比 较 , 反 复 论 证 , 最 终 本 方 案 选 择 了 PH IL IPS
P87LPC768单片机。该单片机的主要特点是 : ①与
MCS251系列单片机兼容 ,易推广使用 ; ②运行速度
快。其运行速度是标准 80C51的 2倍 ; ③体积小、功
能强。该单片机只有 20个引脚。但 I/O 口的功能
十分丰富且大多是复合型的。此外 ,如果选用片内
振荡和内部复位 ,可使用多达 18个脚作为 I/O 口
线 ; ④具有四路 8位 A /D 转换器输入。用于对电
流、温度的控制及转速的反馈 ; ⑤特别地 ,具有四路
10位 PWM 输出。在实际应用中只需使用其中的
一路。
PH IL IPS P87LPC768单片机的各 PWM 输出模
块主要由一个 10位的输出频率相关寄存器 CNSW
及一个 10位的脉冲宽度寄存器 CPSW 组成。应用
者根据需要设置 CNSW 的值 ,可得到 PWM 的输出
频率。
PWM的输出频率 =单片机时钟频率 F / (CNSW
+ 1)
设置 CPSW 的值 ,可得到 PWM 的脉冲宽度。
对运行的电机而言 ,各种不同的 CPSW 值就是各种
不等的电压。
3. 调速系统的逻辑功能
图 1是调速系统的逻辑功能图。
图 1 调速系统的逻辑功能图
该调速系统根据实际需求 ,提供以下的操作方
式及控制功能 :调速系统加电后 ,通过按钮开关先设
置所控制电机的运行速度及时间 ,设置完成后 ,按启
动按钮 ,软启动电动机。CPU 根据转速反馈信号 ,
调整 PWM波 ,使电动机转速逐步达到设定的转速。
在这一过程中 ,LED交替显示设置的转速及电机实
际运行的速度 , CPU 不断测试电动机的转速、温度
及电流 ,当温度过高或电流过大时及时关断功率器
件 ,停止电动机的运行。此外 ,还可以通过加速键、
减速键随时改变电机的设置速度。
此设计方案中 ,单片机与功率器件是关键部分 ,
下面介绍各功能模块实现的方法。
(1 ) 单 片机模 块 单片 机 采 用 了 PH IL IPS
P87LPC768。为了降低成本 ,提高可靠性 ,尽量少用
外围器件 ,又由于单片机只有 20个引脚 ,既要控制
电机的速度、温度 ,又要显示速度 ,还要连接四个按
钮开关。 I/O口线比较紧张 ,因此采用了片内振荡
和内部复位 ,使其对应的三条引脚可作为 I/O 口线
使用。
(2) LED模块 由于控制的电机转速高达每
分钟几万转 ,因此需要 5位 LED来显示转速。显示
主要采用软件扫描的方法 ,占用了 12条 I/O 口线。
其中 7根线用于字形的选择 , 5根线用于位选择。
(3)按钮开关模块 对于四个按钮开关 ,由于
I/O口线紧张 ,只安排了二根 I/O 口线结合软件的
方法实现。四个按钮的功能分别为 :启动键、加速
键、减速键及停止键。这些键除了控制电机的启动、
加速、减速及停止外 ,在电机停止时还可预设电机四
种不同的运行速度及对应运行的时间。图 2是按钮
开关模块的原理图。
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图 2 按钮开关模块原理图
(4)测速装置模块 测速信号通过在电机的转
子上加装遮光齿轮盘 ,再通过光电开关 ,得到电机每
转一圈产生的若干个脉冲信号 ,据此 CPU计算出电
机的实际转速。也可以在电机转子上连接测速发电
机 ,得到电压 ,通过 A /D引脚 CPU测到电机的对应
转速值。总之 ,得到电机转速的信号的方法可根据
实际情况而定 ,一般电机的转速在几千转范围内可
采用简易的光电开关的方法得到。
(5)测温度模块 电机在高速及长时间运行
中 ,表面温度会升高并影响到周围的环境。在实际
应用中要求对电机的表面温度进行监控 ,测温电路
通过热敏电阻引起的电压变化 ,再通过 A /D引脚使
CPU得到电机的对应表面温度值。
(6)测电流模块 电流测量电路主要由串联在
电路中的电阻丝及运放电路组成。当经过电阻丝的
电流变化时 ,会引起电阻丝上的电压的微小变化 ,经
放大送 A /D转换器 , CPU根据测得的电压计算得到
主电路的对应电流值。当电流达到一定值 ,立即关
闭功率器件 ,以达到保护电路及电机的作用。
(7)功率器件及驱动模块 电动机调速系统主
要由控制、驱动及反馈组成。而驱动部分中起主要
作用的就是开关功率器件。常用的开关功率器件有
多种 ,各自有适用的应用范围。根据本方案的特点 ,
当驱动小型电动机时 ,可使用功率场效应管 (MOS2
FET) ;而驱动中、大型电动机时 ,应选用绝缘栅双极
晶体管 ( IGBT)。而其驱动电路基本一致。
4. 调速系统的控制软件
由于选用的单片机功能较强 , PWM 波的产生、
控制方便简单 ,因此其调速系统软件的关键是根据
反馈信号调整 PWM 的脉冲宽度 ,而主要工作是对
按钮开关及 LED 的显示处理。其软件的基本思路
是 :
在软件的主流程中处理按钮开关及 LED 的显
示。另设计一个定时中断 ,在此定时中断中根据反
馈信号计算电动机的实际转速并与设定的转速比
较 ,当实际转速低于设定转速时增加 PWM 的脉冲
宽度 ,反之 ,减少 PWM 的脉冲宽度。具体实现方法
是 :
把 T0设计成定时中断 ,每 100 m s产生一次中
断。T1作为一个计数器 , T0每产生一次中断 ,则从
T1中得到每 100 m s转速信号的个数并计算出对应
电机的转速 ,连续统计 10次 (即每秒 ,也即是每 10
次 T0中断后 ) ,再计算出 10次转速的平均转速 ,以
此平均值作为电机的当前 (实际 )转速 ,与设定的转速
比较 ,调整 PWM的脉冲宽度 ,从而控制电机的转速。
在调速算法中 ,有两个因素需特别注意 : ①当设
定转速与实际转速之差较大时 ,每次 (即每秒 )调整
PWM的脉冲宽度时的值也应大些 ;而当设定转速与
实际转速之差较小时 ,每次 (即每秒 )调整 PWM 的
脉冲宽度时的值也应小些。②当设定转速与实际转
速之差在某一适当的范围内时 ,不再调整 PWM 的
脉冲宽度。此外 ,为了提高可靠性 ,还启用了“看门
狗 ”, T0中断中必须对“看门狗 ”复位。
按本方案实施的直流电机调速系统已投入应
用。经半年多的实际应用测试。性能优良、可靠 ,成
本低廉 ,已投入批量生产 ,具有一定的推广价值。
参考文献 :
1 王晓明. 电动机的单片机控制. 北京航空航天
大学出版社 , 2003
2 周航慈. PH IL IPS 51LPC系列单片机原理及应用
设计. 北京航空航天大学出版社 , 2003
92第 4卷 第 3期 戴白刃 : 一种基于单片机的直流电动机的调速系统
一种基于单片机的直流电动机的调速系统.pdf
