引言

80年代初，無刷直流電機(jī)進(jìn)入了實(shí)用階段，方波和正弦波無刷直流電機(jī)先后研究成功。“無刷直流電機(jī)”的概念已由最初的具有電子換相器的直流電機(jī)發(fā)展到泛指一切具有傳統(tǒng)直流電機(jī)外部特性的電子換相電機(jī)。現(xiàn)今，無刷直流電機(jī)集電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)、檢測元件、控制軟件和硬件于一體，形成為新一代的電動調(diào)速系統(tǒng)。無刷直流電機(jī)具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在:調(diào)速方便(可無級調(diào)速)，調(diào)速范圍寬，低速性能好(啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小)，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應(yīng)用場合從工業(yè)到民用極其廣泛。如電動自行車、電動汽車、電梯、抽油煙機(jī)、豆?jié){機(jī)、小型清污機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等等.由于無刷直流電機(jī)具有這些優(yōu)點(diǎn)，因此在2004年的國際電機(jī)會議上提出了有刷電機(jī)將被無刷電機(jī)取代這一發(fā)展趨勢。美、日、英、德在工業(yè)自動化領(lǐng)域中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以無刷直流電機(jī)代替有刷電動機(jī)的轉(zhuǎn)換。

直流電機(jī)由于具有調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)速；啟動、制動和過載轉(zhuǎn)矩大；易于控制，可靠性較高等突出優(yōu)點(diǎn)而在對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械上得到了廣泛應(yīng)用。對于直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，最常用的辦法是通過改變電樞端的電壓來實(shí)現(xiàn)，即調(diào)節(jié)電阻R的阻值改變端電壓，達(dá)到調(diào)速的目的。但由于接入的電阻消耗了部分電壓，因此這種傳統(tǒng)的調(diào)速方法效率很低。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM（PulseWidthModulation）控制是常用的一種調(diào)速方法。PWM控制是指在保持周期T不變的情況下，通過調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通的時間，對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速目的的技術(shù)。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)電樞兩端的電壓是脈寬可調(diào)的脈沖電壓，在輸出脈沖頻率足夠快的情況下，由于慣性的存在，只要按照一定的規(guī)律改變通斷電的時間，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持一個穩(wěn)定值[2]。對于直流電機(jī)，采用PWM控制技術(shù)構(gòu)成的無級調(diào)速系統(tǒng)，啟停時對直流系統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速裝置，以價位較低的AT89C2051單片機(jī)為核心，與鍵盤和電機(jī)驅(qū)動等電路一起構(gòu)成調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的無級調(diào)速。

2、硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1硬件設(shè)計(jì)的基本方案

根據(jù)一種基于AT89C2051單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速裝置設(shè)計(jì)目的的要求，采用AT89C2051單片機(jī)為核心產(chǎn)生PWM脈寬信號輸出，外圍電路為電源電路、鍵盤和電機(jī)驅(qū)動電路。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖

2.2供電部分

供電部分通過220V-7.5V變壓器變壓隔離、整流橋整流、濾波電容濾波、三端穩(wěn)壓集成電路78M05穩(wěn)壓后輸出5V電壓，供整個裝置使用（其Protel原理圖見圖2）。

圖2供電部分電路圖

2.3電機(jī)驅(qū)動部分

PWM脈寬信號由AT89C2051單片機(jī)輸出，但由于該單片機(jī)的直流輸出電流為25mA[3]，因此不能直接用來驅(qū)動小型直流電機(jī)，必須對輸出的脈寬信號進(jìn)行功率放大。單片機(jī)的P3.2口脈寬信號通過R1送入到TIP127中功率管完成功率放大，放大后的信號就能夠驅(qū)動直流電機(jī)，使之工作。其中電容C1為濾波電容，能使輸入直流電機(jī)的電壓趨于平滑，同時還具有三極管關(guān)斷后的續(xù)流作用。電路原理圖如圖3所示。

圖3電機(jī)驅(qū)動部分電路圖

3、軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一種基于AT89C2051的直流電機(jī)調(diào)速裝置程序流程圖如圖4所示。開機(jī)后首先進(jìn)行初始化；初始化后輸出占空比為0的PWM信號；然后執(zhí)行鍵盤掃描程序，單片機(jī)將開始掃描鍵盤。

圖4程序流程圖

若加速按鈕：此鍵被按下一次，PWM信號的占空比增加1/50，并鎖定該占空比；

若減速按鈕：此鍵被按下一次，PWM信號的占空比減小1/50，并鎖定該占空比。

在占空比增大（減小）后進(jìn)行占空比大小判斷，若占空比小于1而大于0時則將PWM信號輸出。若占空比大于1則輸出占空比為1的PWM信號（全通），若占空比小于0時則輸出占空比為0的PWM信號，并點(diǎn)亮一個發(fā)光二極管進(jìn)行提醒。

假如沒有按鍵按下，程序?qū)⒃诒３衷姓伎毡容敵龅那闆r下跳回到鍵盤掃描程序，再一次進(jìn)行鍵盤掃描。電機(jī)的速度大小是由AT89C2051單片機(jī)輸出的PWM脈寬大小決定的，在程序中利用定時器中斷，按鍵用來修改定時器的初值，從而得到不同占空比的脈沖信號輸出。修改定時器初值的程序流程圖如圖5所示（P3.2口為PWM脈沖輸出口）。

程序采用定時/計(jì)數(shù)器0來完成定時，在12MHz晶振條件下，具體寄存器的設(shè)置如下：

TMOD=0x01：選擇定時器0，使其自啟動，工作方式為工作方式1（16位方式），賦值范圍為0～65535，分別對應(yīng)占空比的0～1，數(shù)值每變化1000，高電平時間增加1ms，占空比增加1/50；

EA=1：開總中斷；ET0=1：定時器T0中斷允許；TR0=1：開定時器T0。

圖5定時器初值修改程序流程圖

4、結(jié)論

本系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)為控制核心，采用PWM脈寬調(diào)制的方法，利用中功率管TIP127對輸出的PWM信號進(jìn)行功率放大以驅(qū)動6V、0.3W的微型直流電動機(jī)。在設(shè)計(jì)裝置中，力求硬件電路簡單，采用較少的元件實(shí)現(xiàn)了對直流電機(jī)速度的開環(huán)控制。本文所介紹的方法已應(yīng)用在輕型負(fù)載的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

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