引言

80年代初，無刷直流電機進入了實用階段，方波和正弦波無刷直流電機先后研究成功。“無刷直流電機”的概念已由最初的具有電子換相器的直流電機發(fā)展到泛指一切具有傳統(tǒng)直流電機外部特性的電子換相電機?，F今，無刷直流電機集電機、變速機構、檢測元件、控制軟件和硬件于一體，形成為新一代的電動調速系統(tǒng)。無刷直流電機具有最優(yōu)越的調速性能，主要表現在:調速方便(可無級調速)，調速范圍寬，低速性能好(啟動轉矩大，啟動電流小)，運行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應用場合從工業(yè)到民用極其廣泛。如電動自行車、電動汽車、電梯、抽油煙機、豆?jié){機、小型清污機、數控機床、機器人等等.由于無刷直流電機具有這些優(yōu)點，因此在2004年的國際電機會議上提出了有刷電機將被無刷電機取代這一發(fā)展趨勢。美、日、英、德在工業(yè)自動化領域中已經實現了以無刷直流電機代替有刷電動機的轉換。

直流電機由于具有調速范圍廣，易于平滑調速；啟動、制動和過載轉矩大；易于控制，可靠性較高等突出優(yōu)點而在對調速要求較高的生產機械上得到了廣泛應用。對于直流電機轉速的調節(jié)，最常用的辦法是通過改變電樞端的電壓來實現，即調節(jié)電阻R的阻值改變端電壓，達到調速的目的。但由于接入的電阻消耗了部分電壓，因此這種傳統(tǒng)的調速方法效率很低。

隨著電力電子技術的發(fā)展，出現了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM（PulseWidthModulation）控制是常用的一種調速方法。PWM控制是指在保持周期T不變的情況下，通過調節(jié)開關導通的時間，對脈沖寬度進行調制，從而達到調節(jié)電機轉速目的的技術。在脈寬調速系統(tǒng)中，電機電樞兩端的電壓是脈寬可調的脈沖電壓，在輸出脈沖頻率足夠快的情況下，由于慣性的存在，只要按照一定的規(guī)律改變通斷電的時間，即可使電機的速度達到并保持一個穩(wěn)定值[2]。對于直流電機，采用PWM控制技術構成的無級調速系統(tǒng)，啟停時對直流系統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定的特點。本文設計了一種基于單片機的直流電機調速裝置，以價位較低的AT89C2051單片機為核心，與鍵盤和電機驅動等電路一起構成調速裝置實現了直流電機的無級調速。

2、硬件設計與實現

2.1硬件設計的基本方案

根據一種基于AT89C2051單片機的直流電機調速裝置設計目的的要求，采用AT89C2051單片機為核心產生PWM脈寬信號輸出，外圍電路為電源電路、鍵盤和電機驅動電路。系統(tǒng)設計框架圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)設計框架圖

2.2供電部分

供電部分通過220V-7.5V變壓器變壓隔離、整流橋整流、濾波電容濾波、三端穩(wěn)壓集成電路78M05穩(wěn)壓后輸出5V電壓，供整個裝置使用（其Protel原理圖見圖2）。

圖2供電部分電路圖

2.3電機驅動部分

PWM脈寬信號由AT89C2051單片機輸出，但由于該單片機的直流輸出電流為25mA[3]，因此不能直接用來驅動小型直流電機，必須對輸出的脈寬信號進行功率放大。單片機的P3.2口脈寬信號通過R1送入到TIP127中功率管完成功率放大，放大后的信號就能夠驅動直流電機，使之工作。其中電容C1為濾波電容，能使輸入直流電機的電壓趨于平滑，同時還具有三極管關斷后的續(xù)流作用。電路原理圖如圖3所示。

圖3電機驅動部分電路圖

3、軟件設計與實現

一種基于AT89C2051的直流電機調速裝置程序流程圖如圖4所示。開機后首先進行初始化；初始化后輸出占空比為0的PWM信號；然后執(zhí)行鍵盤掃描程序，單片機將開始掃描鍵盤。

圖4程序流程圖

若加速按鈕：此鍵被按下一次，PWM信號的占空比增加1/50，并鎖定該占空比；

若減速按鈕：此鍵被按下一次，PWM信號的占空比減小1/50，并鎖定該占空比。

在占空比增大（減小）后進行占空比大小判斷，若占空比小于1而大于0時則將PWM信號輸出。若占空比大于1則輸出占空比為1的PWM信號（全通），若占空比小于0時則輸出占空比為0的PWM信號，并點亮一個發(fā)光二極管進行提醒。

假如沒有按鍵按下，程序將在保持原有占空比輸出的情況下跳回到鍵盤掃描程序，再一次進行鍵盤掃描。電機的速度大小是由AT89C2051單片機輸出的PWM脈寬大小決定的，在程序中利用定時器中斷，按鍵用來修改定時器的初值，從而得到不同占空比的脈沖信號輸出。修改定時器初值的程序流程圖如圖5所示（P3.2口為PWM脈沖輸出口）。

程序采用定時/計數器0來完成定時，在12MHz晶振條件下，具體寄存器的設置如下：

TMOD=0x01：選擇定時器0，使其自啟動，工作方式為工作方式1（16位方式），賦值范圍為0～65535，分別對應占空比的0～1，數值每變化1000，高電平時間增加1ms，占空比增加1/50；

EA=1：開總中斷；ET0=1：定時器T0中斷允許；TR0=1：開定時器T0。

圖5定時器初值修改程序流程圖

4、結論

本系統(tǒng)以AT89C2051單片機為控制核心，采用PWM脈寬調制的方法，利用中功率管TIP127對輸出的PWM信號進行功率放大以驅動6V、0.3W的微型直流電動機。在設計裝置中，力求硬件電路簡單，采用較少的元件實現了對直流電機速度的開環(huán)控制。本文所介紹的方法已應用在輕型負載的直流電機調速系統(tǒng)中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。

更多資訊請關注機床頻道