用51單片機(jī)控制直流電機(jī)
1、電機(jī)調(diào)速控制模塊：方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案二：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，因此本設(shè)計采用方案三。2、PWM調(diào)速工作方式：方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個脈沖周期內(nèi)，單片機(jī)兩控制口各輸出一個控制信號，兩信號高低電平相反，兩信號的高電平時差決定電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。方案二：單極性工作制。單極性工作制是單片機(jī)控制口一端置低電平，另一端輸出PWM信號，兩口的輸出切換和對PWM的占空比調(diào)節(jié)決定電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。由于單極性工作制電壓波開中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。3、PWM調(diào)脈寬方式：調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因為采用這種方式，電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定；并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。4、PWM軟件實現(xiàn)方式：方案一：采用定時器做為脈寬控制的定時方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個us。方案二：采用軟件延時方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。但是基于不占用定時器資源，且對于直流電機(jī)，采用軟件延時所產(chǎn)生的定時誤差在允許范圍，故采用方案二。
二、系統(tǒng)分析與設(shè)計：總體設(shè)計方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖一所示。 鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過P2.0與P2.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大、光耦傳遞，驅(qū)動H型橋式電動機(jī)控制電路，實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過LED顯示出來。電動機(jī)所處速度級以速度檔級數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時數(shù)字向右移動，反轉(zhuǎn)時數(shù)字向左移動。移動速度分7檔，快慢與電動機(jī)所處速度級快慢一一對應(yīng)。每次電動機(jī)啟動后開始計時，停止時LED顯示出本次運(yùn)轉(zhuǎn)所用時間，時間精確到0.1s。
1、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計與分析電動機(jī)PWM驅(qū)動模塊的電路設(shè)計與實現(xiàn)具體電路見下圖二。本電路采用的是基于PWM原理的H型橋式驅(qū)動電路。
PWM電路由四個大功率晶體管組成H型橋式電路構(gòu)成，四部分晶體管以對角組合分為兩組：根據(jù)兩個輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導(dǎo)通和截止。4個二極管在電路中起防止晶體管產(chǎn)生反向電壓的保護(hù)作用。4個電感在電路中是起防止電動機(jī)兩端的電流和晶體管上的電流過大的保護(hù)作用。 在實驗中的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為5v電源，因此若達(dá)林頓管基極由控制系統(tǒng)直接控制，則控制電壓最高為5V，再加上三極管本身壓降，加到電動機(jī)兩端的電壓就只有4V左右，嚴(yán)重減弱了電動機(jī)的驅(qū)動力。基于上述考慮，我們運(yùn)用了4N25光耦集成塊，將控制部分與電動機(jī)的驅(qū)動部分隔離開來。輸入端各通過一個三極管增大光耦的驅(qū)動電流；電動機(jī)驅(qū)動部分通過外接12V電源驅(qū)動。這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動電流得到了大大的增強(qiáng)。 在電動機(jī)驅(qū)動信號方面，我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號控制。脈沖頻率對電動機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負(fù)載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在40Hz以上，電動機(jī)轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，但加負(fù)載后，速度下降明顯，低速時甚至?xí)＾D(zhuǎn)；脈沖頻率在10Hz以下，電動機(jī)轉(zhuǎn)動有明顯跳動現(xiàn)象。實驗證明，脈沖頻率在15Hz-30Hz時效果最佳。而具體采用的頻率可根據(jù)個別電動機(jī)性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過N1輸入信號，N2輸入低電平與N1輸入低電平，N2輸入信號分別實現(xiàn)電動機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)功能。通過對信號占空比的調(diào)整來對車速進(jìn)行調(diào)節(jié)。速度分7檔控制，從高電平（第6檔）到低電平（第0檔）中間占空比以20%逐極遞減。速度微調(diào)方面，可以通過對占空比以1%的跨度逐增或逐減分別實現(xiàn)對速度的逐加或逐減。2、系統(tǒng)的軟件設(shè)計 本系統(tǒng)編程部分工作采用KELI-C51語言完成，采用模塊化的設(shè)計方法，與各子程序做為實現(xiàn)各部分功能和過程的入口，完成鍵盤輸入、按鍵識別和功能、PWM脈寬控制和LED顯示等部分的設(shè)計。單片機(jī)資源分配如下表：
P0 | 顯示模塊接口 | 外部中斷0 （P3.2） | 鍵盤中斷 |
P1 | 鍵盤模塊接口 | ||
P2.0/P2.1 | PWM電機(jī)驅(qū)動接口 | 內(nèi)部定時器0 | 系統(tǒng)時鐘 |
