基于单片机的直流电机调速系统设计探讨

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摘要：直流电动机制动性能与起动性能都较为理想，而且能够实现大范围的平滑调速，因而在电力拖动领域中的应用十分常见。以控制角度分析，直流电机调速也成为交流拖动系统的重要基础。综合考虑直流电机转速测量和自动控制，借助 AVR 单片机，科学合理地设计直流电机调速系统，特别是软硬件设计与实践，能够确保直流电机的调速系统满足预期效果，有效地节省投资的成本，降低功耗量，进一步增强控制灵活性特征。基于此，将单片机作为出发点，重点阐述直流电机调速系统的设计内容，希望能够对直流电机调速系统设计的完善有所帮助。关键词：单片机；直流电机调速系统；设计近年来，交通运输与工矿企业中的电力拖动应用十分普遍，而且直流电机的可控性以及启动性都具有明显的优势，然而，在调速方面却仍有待完善。近年来，计算机控制系统始终是电动机自动调速系统的主要组成部门，同样也可以对智能式亦或是通用式的 PID 调节器仪表实施相应的控制。伴随相关技术的成熟化发展，系统直流电机运行的可靠性明显增强，然而成本投入较高，系统的灵活性不明显、调试的难度也较大，硬件部分较为复杂，在广泛应用直流电机控制技术方法产生了负面影响。由此可见，基于单片机深入研究并分析直流电机调速系统具有一定的现实意义，能够使结构得以简化，并减少成本的投入，不断优化其智能化，促进可靠性与灵活性的全面提升。以下将针对以单片机为核心的直流电机调速系统展开系统化研究与分析，以期推动此系统在实践中的推广应用。

1 直流电机调速系统的硬件

在此次研究中，选择使用 AVR 单片机中的 mega16芯片，将其当做中央控制单元。与此同时，在该系统中，不仅合理地设置出输入的按键等，同样要将输入和输入功能合理地融入到转速检测以及控制的过程中。而对于输入通道而言，其主要组成就体现在转速传感器与光电隔离电路两方面。科学合理地采集转速信号，同时借助光电隔离线路将采集信号向电脉冲信号转换，并且向单片机 PBI 口输送。对于输出通道来讲，其主要的组成则包括光电隔离电路、直流电机以及调压模块。利用单片机，在 PB3 口的位置选用脉宽调制的方式，将已经完成处理的信号经由光电隔离电路，向调压模块输入端输送。随后，通过对调压模块的合理利用，即可有效地驱动电机，并达到电机转动的目的。

1．1 输入通道

测量实际转速始终是输入通道的基本功能。现阶段，转速测量主要的方式就是数字式与模拟式两种。其中，前者应当利用光电感应元件亦或是磁电感应元件，充分发挥其检测的功能，最终获取脉冲信号。而后者在细化光电传感器常见类型方面，还可以体现在漫反射与对射两方面，而安装最为便捷的就是漫反射。针对漫反射方式，需在电机转轮之上涂好黑白相间条格。也就是说，在此分辨率的条件下，仅能够将间隔是 5 的转速显示出来。由此可见，条格数量越多，其分辨率就越高，但相对于光电探头频率的响应要求也会随之提高。在电机的转速为每分钟 3000 转的时候，60 条格频率就是 3000 赫兹。贯彻落实光电检测工作，一般会出现在实验室亦或是对于环境提出较高要求的场所。特别是普通场合，会以磁电传感器为主，然而有必要在磁电传感器中增加凹凸齿轮盘，将其有效地安装于转轴之上。在实践过程中，加工与安装的难度会相对较大，而且模拟式传感器会选用测速发电机。在这种情况下，要想实现光电隔离目标，就要借助 V/F 有效地将模拟信号转换为脉冲信号。系统输出端则采用光电三极管，集电极与单片机专用计数器口接入。

1．2 输出通道

一般来讲，输出通道的功效就是结合单片机所提供的数字信号对电机转动速速加以控制。而输出通道光电隔离和输入通道光电隔离相同，都采用光耦集成块，即 PC817 。光耦快的输入端会对单片机的脉宽调制信号进行接收，最主要的原因就是脉宽调制信号在占空比的作用下，有效地调整输出电压的大小。在这种情况下，驱动光耦块中的发光二极管就会始终处于饱和状态，使得发光二极管非线性对于输出控制信号的负面影响得以消除。而光耦发光二极管限流电阻的主要组成为电位器与电阻，经相互串联实现。而电位器还可以科学合理地调节输出信号的光电流强度，使得受控调压模块的输出电压始终在可控的范围之内。调压模块则会以晶闸管移相控制电路为主，调压模块的输入端，会受到光电三极管电流的影响而被控制，导致输出电压发生转变，并且结合电压的状况，对直流电机转动速度加以控制。

1．3 控制面板

通常情况下，在布局方面，控制面板更强调简约化，以便后期的实践应用，同时有效地减少发生错误操作的情况。在设计控制面板方面，选择使用 4 个一英寸数码管，对四位转速数值与控制参数加以显示。另外，AN1 按钮的主要作用就是切换功能。而 AN2 按键的作用就是调整参数，在实际操作的过程中，借助 “ 按住 ”以及 “ 点按 ” 进行区分。除此之外，还要设置电源指示灯与总机电源开关。

2 转速负反馈闭环调速系统

针对基于单片机的转速负反馈闭环调速系统，主要是结合转速的给定数值和转速数值加以对比，并获取偏差数值。综合考虑偏差数值性质完成数学运算，随后转换运算结果，使其转变为数字量，进而对调压模块电压进行合理地控制，以达到对直流电机转速进行间接控制的目标。需要注意的是，实际的调节效果和调节运算规律之间的联系紧密。除此之外，单片机闭环控制常见于编制定时中断程序中，能够达到检测转速和输出脉宽调制的目标。因为转速的显示周期以及自动调节采样周期被设置成 1 秒，因而要保证时间的精确性，以免对测速准确程度以及调节输出效果产生不利的影响。在这种情况下，此时间需要借助外晶振作为保障。

3 直流电机调速系统软件的保护

基于单片机的直流电机调速系统，在硬件需要增加过流过压保护措施，同样需要强调软件设计的作用，对软件保护提供必要的保障。也就是说，软件的作用高于硬件，而硬件的功能就是软件的后备保护。为此，在设计直流电机调速系统软件的过程中，应重点考虑以下几方面内容：（ 1 ）对回路断线保护进行检测。若处于自动投入状态，控制器已经发送了控制信号，但是实际的转速始终是零，且偏差相对较大。在这种情况下，输出信号的增长速度回显著加快，致使电机的过载程度严重。所以，在同时满足 “ 自动 ”、 “ 输出 40% ” 以及 “ 转速零 ” 条件的情况下，需要对保护程序进行编制。首先是系统发送报警信号；其次为程序锁死并且断电重新启动；最后是输出到零。（ 2 ）对回路异常保护进行检测。在实践过程中，会受到测速探头固定较差因素的影响而出现振动错位，致使转速数值与控制器输出数值之间的差异较大，进而发生异常现象。而在转速数值不超过每分钟 900 转的时候，输出控制数值超过 60% ，对程序进行编制，并对程序动作加以保护。（ 3 ）超速保护。应综合考虑具体状况，合理地设定超速数值，也就是在转速超过每分钟 2850 转的情况下，可以对程序动作做出保护。（ 4 ）过流截止型的保护。借助分流器对调压模块中的输出电流信号进行全面且系统化的检测，以转换为基础，在电路变换的同时，向单片机 I/O 口传送，进而通过程序做出判断。也就是在电流高于规定数值以后，此 I/O 口的电平会被拉低，此时对程序动作进行合理地保护。

4 结语

根据以上实践检验结果表明，借助单片机合理设计直流电机调速系统，可以获取理想的效果。与此同时，直流电机调速系统的调节效果理想，投入的成本不高，设备相对简单，实际的功效不高，具有较高的灵活性，实际安装也十分方便。这种类型的直流电机调速系统通常被应用在稳定负荷条件下，特别是生产单位与实训室日常选择使用的转速自动控制系统。而且，基于单片机的直流电机调速系统对于企事业的生产过程产生了极大影响，也为合理设计自动调节系统提供了有价值的参考依据。一旦转速的负荷改变幅度较大，则将关于转速负荷的电流信号有效地引入到其中，以突显其辅助功效的价值，使得反馈信号能够有效地参与到偏差计算中。亦或是创建串级双闭环回路，不仅能够实现转速调节，同样可以达到电流调节目标，以保证调节系统运行更加稳定。在实践过程中，基于单片机的直流电机调速系统设计与应用，不仅可以将系统本身的作用充分发挥出来，同样也能够促进单片机的推广应用。为此，在后期研究与分析的过程中，有必要给予直流电机调速系统中单片机应用的高度重视，只有这样，才能够确保软件和硬件作用得以充分发挥。