直流电机调速与测速电路模块设计_电动机控制电路图讲解

　　直流电机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性。利用PWM 脉冲信号的占空比决定输出到直流电机的平均电压的大小。通过调节占空比，可以实现调节输出电压的目的，而且输出电压可以实现无级连续调节。本文以AT89S51单片机为核心，提出了基于直流电机调速与测速系统的设计方案，然后给出了系统的主电路结构，以及驱动电路设计和系统软件设计。本方案充分利用了单片机的优点，具有频率高、响应快的特点。直流电机是工业生产中常用的驱动设备，具有良好的起动、制动性能。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成。控制系统的硬件部分复杂、功能单一，调试困难。本方案采用单片机控制系统，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。

　　调速和测速系统的主体电路设计

　　整个系统由输入电路、PWM 调制、测速电路、驱动电路、控制部分及显示等部分组成，PWM 调制选用AT89S51单片机通过软件实现频率和占空比的调节。驱动电路用光耦隔离保护电路，控制部分由单片机和外围电路组成，实现各种控制要求，外围电路主要完成对输入信号的采集、操作、对速度进行控制，显示部分采用四位共阳数码管。

　　硬件方面以STC89C51单片机为核心，与复位电路、晶振电路、驱动电路，测速电路，键盘和LED 显示模块构成最小系统。软件上通过用C51语言编程产生PWM 脉冲信号的输出、键盘、LED 显示器的数据传输。通过键盘调节速度档位给定值，实现按给定值跟踪，在LED 显示器上显示，最后再由单片机输出PWM 脉冲信号，通过测速电路把转速反馈给CPU 并且通过CPU 把转速显示在LED 显示器上，从而达到想要设定的转速。

　　直流电机驱动电路设计

　　从单片机直接输出的控制信号无法直接驱动12V 直流电机，目前大多采用H 桥式驱动，为便于制作，驱动模块采用光电耦合器对控制电路和主电路进行隔离，达到保护作用。U3输出PWM 控制信号通过三极管反相驱动电机，实现电机的调速。驱动电路图如图3所示。

　　测速电路设计

　　测速模块由U 型光电开关、转盘及外围电路组成，电机转动时带动转盘转动，转盘上附有八个小孔，当转盘转动一周产生八个脉冲信号，由此可以把电机转动的物理量转换成变化的脉冲信号，经Q5开关驱动输送到单片机外部中断P3.3进行计数，实现对电机速度的监测。测速电路如图4所示。

　　设计中应用了比较常见的光电测速方法来实现，其具体做法是将电机轴上固定一圆盘，在测速模块中U 型光耦。通过转盘上八个圆孔，产生脉冲信号。电动机转到孔处时，发光二极管通过缝隙将光照射到光敏三极管上，三极管导通，反之三极管截止。U 型光电开关与转盘的安装如图5所示：把转盘固定在电动机的转轴上，安装U 型光耦，把光耦插入转盘上，用螺丝固定，转盘边要安装在U 型光电开关的槽中间。

　　基于单片机控制直流电机的测速与调速系统设计方案是将输入的信号通过单片机转换后输出控制信号通过驱动电路调节直流电动机的转速，并且能实时监控直流电动机的速度。由于采用的是PWM 控制技术可以达到高精度的速度控制。测速采用光电开关，轻松实现速度的检测，为此，方案中所设计的直流电机的测速与调速系统具有速度输入、检测、显示、脉宽调制、电机驱动等主要电路，便于对电机速度进行控制与显示。

　　为了提高开关磁阻电机控制系统的实用性和可靠性，利用 NI虚拟仪器构建了监控系统，可以实时监测和调整电机运行时的重要参数。该方案以装有数据采集卡的 PC机和 DSP作为硬件基础，利用 LabVIEW软件将各类传感器传送的信号进行实时处 理，同时记录和显示各项数据，然后再利用相应的算法完成对数据的分析。数据是采用PCI-6143数据采集卡，并以LabVIEW8.6为开发环境编写程序而获取的。考虑到该系统可能在比较恶劣的工作环境下使用，为了更安全有效地实现实时控制，同时利用DSP 作为PC 机的备用处理器。实验用样机是一台8/6极，功率为150 W 的SRM。

　　位置信号检测

　　在非常恶劣的条件下工作时，转子位置传感器可能失效。在这种情况下，无位置传感器可以实现更安全的工作方式。目前比较常用的方式是采用通过测量磁链和电流，推导出电机的角度。但这需要事先获取SRM 在不同位置下的磁链值和电流值作为后面运行时判断的依据。如果将来本系统需要进行无位置传感器技术改造的可能，那么为了准确得出转子位置，需要在转子轴上固定绝对位置编码器。绝对位置编码器输出的是格雷码， 需要处理后获得普通二进制码。当然，在稳态运行时，绝对位置编码器也完全可以取代光电位置传感器以提供更为准确的转速信息。只是相对于光电位置传感器来说，绝对位置编码器价格昂贵，且较易损坏，并不适合于振动较剧烈的场合。实验电机的电路结构如图2所示。其中，R1~R4分别为与电机四相串联的小电阻，R5则为用于测量绕组电压的分压电阻。