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采用硬件電路實現直流電機閉環調速系統已在實踐中應用多年，其硬件組成復雜，調整困難，缺乏控制的靈活性。本文介紹的直流電機PWM閉環調速系統，使用低價位的單片微機89C2051為核心，實現閉環控制，并可進行數字顯示和速度預置，方便了使用。電機調速采用脈寬調制方式，與晶閘管調速相比技術先進，可減少對電源的污染。本系統已用于健身跑步機調速，工作可靠，使用效果良好。圖1是本系統的線路圖，主要有PWM信號發生、閉環調速微機控制、直流電機驅動等幾部分組成。
1 PWM 信號發生電路
PWM波可由具有PWM輸出的單片機(如80C198等)通過編程產生，也可采用PWM專用芯片來實現。PWM波的頻率太高時，對直流電機驅動
的功率管要求太高，太低時產生電磁噪聲較大。實踐應用中PWM波的頻率在18kHz左右效果最好。經綜合分析，本系統采用兩片4位數值比較器4585和一片12位串行計數器4040組成了PWM信號發生電路。兩片比較器U3、U2的A組接4040計數輸出Q2～Q9端，B組接單片微機的P1端口。改變P1端口的輸出值，可使PWM信號的占空比產生變化，進行調速控制。計數器4040的計數輸入端CLK接單片機2051晶振的振蕩輸出XTAL2。晶振選用18MHz時，經QO～Q2的8分頻，Q2～Q9的256分頻，產生的PWM波形的頻率為17．6kHz，適合光耦及功率開關管的合理工作范圍。
計數器4040每來8個脈沖，其輸出Q2～Q9加1，當計數值小于或等于單片機P1端口輸出值X時，U2的(A>B)輸出端保持為低電平，當計數值大于X時U2的(A>B)輸出端為高電平。隨著計數值的增加，Q2～Q9由全“1”變為全“O”時，(A>B)輸出端又變為低電平，這樣，在U2的(A>B)端得到PWM的信號，其占空比為(255-X/255)×100％，改變X值可改變PWM信號的占空比，進行直流電機的轉速控制。使用此方法單片機只需根據調整量輸出X值，PWM信號由三片通用數字電路生成，使軟件大大簡化，有利于單片機系統正常工作。由于單片機上電復位時P1端口輸出全“1”，使用4585的B組與P1端口相連，升速時PO端口輸出X按一定規律減少，降速時按一定規律增大。
2 單片微機閉環速度控制電路
本系統的閉環控制選用低價位的單片機89C2051，與帶PWM輸出的80C552及80C198相比，無需外擴EPROM，且價格低的多。2051單片機片內有2K的flash程序存儲器，15個I/O口，兩路16位的定時/計數器，指令及中斷系統與8031兼容，給閉環速度控制帶來很大的靈活性。
閉環速度控制中傳感器選用霍爾傳感器，小磁鋼固定在被測轉軸上，每轉一周輸出一個脈沖信號。轉速脈沖信號經施密特觸發器U6-1，U6-2整形后，輸入到2051單片機的INTO中斷口P3．2端口上。軟件設置INTO為下降沿中斷，進入中斷服務程序后開啟定時/計數器O進行定時，測出每轉的周期，再由軟件計算出控制值X，由P1端口輸出PWM波占空比的控制數。軟件中還可進行顯示線速度或角速度的轉換計算，由八位驅碼驅動器帶動LED數碼管進行顯示。預置速度由按鍵S1、S2輸入，進行“+”“ -”控制，預置數也由LED數碼管顯示。
顯示使用了高集成度的MAX7219串行LED顯示驅動器，帶動八位LED數碼管進行顯示，前四位顯示當前運行速度，后四位顯示預置速度。
MAX7219是24腳窄封裝芯片，串行口工作頻率最高10MHz，八位LED顯示，通過對譯碼模式寄存編程，可控制各位顯示方式(BCD碼或非譯碼)，顯示是片內動態掃描模式，通過一個電阻和編程可控制亮度，并可多個芯片串聯顯示多達64位共陰極LED數碼管。MAX7219的數據輸入端DIN、時鐘端CLK、數據鎖定端L分別與2051單片機的P3.0、P3.1、P3.5端口相接。改變電阻R6的阻值可調整顯示亮度，R6取值在3.9～10kQ之間。使用MAX7219不僅可減少硬件電路，由于是片內動態掃描顯示，并可降低功耗和簡化軟件設計。
2051單片微機的上電復位使用了MAX812電壓監控器，上電時約有200 ms的延遲，以保證復位正常進行。為了防止掉電后預置數丟失，使用了使用備用電池保護2051單片機片內RAM數值。電源經變壓整流后，一路經DC-AC開關電源輸出5V直流電壓給單片機系統供電，一路經三端穩壓元件7812穩壓輸出12V電壓供驅動大功率開關管使用。單片機系統電源與驅動電路部分電源隔離，以提高系統工作的可靠性和安全性。
3 直流電機驅動系統電路
直流電機驅動系統原理如圖2所示
U2生成的PWM信號經施密特反相器U6-3驅動光電耦合器O1，送至直流電機驅動電路。大功率開關管選用N溝道VMOS功率場效應管，它為
壓控元件，具有很高的輸入阻抗，因而驅動功率很小，對驅動電路要求也較低。經光電耦合器傳送的PWM信號，經并聯使用的六施密特反相器，接到VMOS功率管Y1的柵極上，直接驅動即可。穩壓管D4和電阻R8起保護作用。VMOS功率管的源極接直流電機繞組，經感抗器接電機直流電源負端。漏極接電機直流電源正端。快速關斷二極管D3起保護作用，消除VMOS功率管開關過程由電機繞組產生的感生電勢。電源是交流電壓經C7、ZL、C8組成的濾波器后，由高壓橋整流器件Z2整流，高壓電解電容濾波后供VMOS功率管。VMOS功率管，快速關斷二極管及高壓電解電容器及整流橋等根據選用直流電機的電壓、功率等要求確定相應型號和參數。
4 結束語
本文所述的直流電機閉環調速系統以低價位單片微機89C2051為核心，PWM波的生成使用三片通用數字電路，顯示使用了高集成度的八位LED串行譯碼驅動器MAX7219，電機驅動使用VMOS場效應管，反饋信號使用霍爾傳感元件，系統設計合理。使用單片機定時器對傳動軸的周期進行檢測，可由軟件計算出相應的線速度或角轉速進行顯示，并可進行速度定量預置。軟件中可用PLD算法或查表的方法確定閉環控制的補償量。這些是由數字線路組成的直流電機閉環調速系統所不及的。以前也曾試過使用單片機的定時/計數器直接生成PWM波，這樣使軟件頻繁工作在中斷服務程度中，整體效果不太好。使用少量硬件后單片機僅輸出X值，使軟件工作量大大減少，程序中有充足時間進行閉環控制的測控和計算，使程序設計和軟件運行合理可靠
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66821730(技術支持)
