摘要：介紹了基于單片機(jī)的直流電機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用宏晶科技公司的高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代單片機(jī)STC12C5206AD芯片作為主要部分，輔以上位機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等設(shè)備對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行不同速度的控制。

在現(xiàn)代工業(yè)中，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油化學(xué)、國(guó)防工業(yè)等工業(yè)部門中。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使用脈寬調(diào)制(pulse width modulation，簡(jiǎn)稱PWM)控制方式已成為絕對(duì)主流。脈寬調(diào)制是一種使用程序來控制波形占空比、周期、相位波形的技術(shù)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、D/A轉(zhuǎn)換等場(chǎng)合有廣泛的應(yīng)用。這種控制方式已作為直流電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制的基礎(chǔ)。在直流調(diào)速控制中，可以采用各種控制器，單片機(jī)是其中一種選擇。

1 功能描述

電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微處理器作為控制核心，以控制板卡、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片及外圍電路、電機(jī)等構(gòu)成整個(gè)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。由微處理器產(chǎn)生1對(duì)(共2路)PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制執(zhí)行電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的調(diào)速要求。

2 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成

電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成見表1。

3 技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)如下：

1)工作溫度：-40℃～+60℃;

2)供電電壓：DC 27 V;

3)輸出扭矩：1.2 N·M;

4)最大空載轉(zhuǎn)速：1 050 rpm;

5)額定電流：2.3 A。

4 設(shè)計(jì)原理

4.1 原理框圖

原理框圖見圖1。

4.2 原理介紹

如圖1所示，通過對(duì)計(jì)算機(jī)屏幕顯示界面的操作，選取電機(jī)不同的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，由計(jì)算機(jī)控制板卡采集相應(yīng)的狀態(tài)信息，輸出相應(yīng)的狀態(tài)量代碼(狀態(tài)量指示見真值表 2)并送入到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接收的代碼信息，產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM脈寬信號(hào)，該脈寬信號(hào)經(jīng)功率放大電路放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制。

其中高位D2表示方向性，0為正方向，1為反方向;D1，D0表示速度大小。

5 設(shè)計(jì)分析

5.1 控制/驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

控制/驅(qū)動(dòng)電路主要由單片機(jī)STC12C5206AD、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8842等組成。控制/驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原理見圖2。

5.2 電源電路

本調(diào)速系統(tǒng)工作電源為直流+24 V、直流+5 V。其中+5 V由直流+24 V轉(zhuǎn)換輸出，供單片機(jī)STC12C5202AD使用。+5 V轉(zhuǎn)換電路主要由穩(wěn)壓器LD1086、電容器等組成，詳見圖3。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，要盡量加寬電源線，同時(shí)將電源線和信號(hào)線分離，以免產(chǎn)生干擾信號(hào)。

5.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要由驅(qū)動(dòng)芯片DRV8842及其外圍電路組成。

驅(qū)動(dòng)芯片DRV8842是專用于電機(jī)的集成電路，內(nèi)部包含一個(gè)PWM電流控制的H橋控制電路，電路見圖4。工作電壓為8.2 V～45 V，工作電流為5 A，工作溫度為-40℃～85℃。

如圖4，通過控制DRV8842的IN1和IN2引腳輸入狀態(tài)，能直接控制OUT1和OUT2的輸出狀態(tài)，邏輯控制見表3。

采用PWM脈寬調(diào)制控制電機(jī)速度，其控制邏輯如下：當(dāng)IN1輸入PWM信號(hào)，IN2輸入低電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)IN1輸入低電平，IN2輸入PWM信號(hào)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn);PWM信號(hào)的占空比決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

5.4 微處理器

微處理器采用深圳宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5206AD。STC12C5206AD是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代單片機(jī)，指令代碼兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8倍～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速8位A/D轉(zhuǎn)換 (300 k/s即30萬次/秒)，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。

主要性能如下：

1)工作電壓：5.5 V～3.3 V;

2)工作頻率：0～35 MHz，相當(dāng)于普通8051的0～420 MHz;

3)用戶應(yīng)用程序空間：6 k字節(jié);

4)片上集成RAM：256字節(jié);

5)通用I/O口：13個(gè);

6)有EEPROM功能;

7)看門狗;

8)內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路(外部晶體20 M以下時(shí)，復(fù)位腳直接1 k電阻到地);

9)PWM：2路;

10)A/D轉(zhuǎn)換：8位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)300 k/s(每秒鐘30萬次);

11)工作溫度：-40℃～85℃。

5.5 軟件分析

軟件主要由上位機(jī)控制程序和下位機(jī)控制程序兩部分組成。軟件流程圖見圖5、圖6。

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)結(jié)果滿足要求，運(yùn)行狀態(tài)良好，達(dá)到預(yù)期目的。