摘要：給出了一種基于89C51單片機(jī)以及PWM控制思想的高精度、高穩(wěn)定、多任務(wù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)的硬件組成及關(guān)鍵單元設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、有效地對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，而且輸出轉(zhuǎn)速精度高、穩(wěn)定性好。
關(guān)鍵詞：PWM；實(shí)時(shí)監(jiān)控；單片機(jī)；霍爾傳感器；轉(zhuǎn)速
0 引言
目前使用的電機(jī)模擬控制電路都比較復(fù)雜，測(cè)量范圍與精度不能兼顧，且采樣時(shí)間較長(zhǎng)，難以測(cè)得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。本文介紹的電機(jī)控制系統(tǒng)利用PWM控制原理，同時(shí)結(jié)合霍爾傳感器來(lái)采集電機(jī)轉(zhuǎn)速，并經(jīng)單片機(jī)檢測(cè)后在顯示器上顯示出轉(zhuǎn)速值，而單片機(jī)則根據(jù)傳感器輸出的脈沖信號(hào)來(lái)分析轉(zhuǎn)速的過(guò)程量，并超限自動(dòng)報(bào)警。本系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置有按鍵操作儀表，可用于調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
1 系統(tǒng)方案的制定
直流電機(jī)控制系統(tǒng)主要是以C8051單片機(jī)為核心組成的控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此，由MCU內(nèi)部的可編程計(jì)數(shù)器陣列輸出PWM波，以調(diào)整電機(jī)兩端電壓與控制波形的占空比，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。本系統(tǒng)通過(guò)霍爾傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)包括硬件和軟件兩大部分，其中硬件設(shè)計(jì)包括方案選定、電路原理圖設(shè)計(jì)、PCB繪制、線路調(diào)試：軟件設(shè)計(jì)包括內(nèi)存空間的分配，直流電機(jī)控制應(yīng)用程序模塊的設(shè)計(jì)，程序調(diào)試、軟件仿真等。
2 硬件設(shè)計(jì)
C8051是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有64個(gè)數(shù)字I／O引腳，片內(nèi)含有VDD監(jiān)視器、看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器，是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)，并能快捷準(zhǔn)確地完成信號(hào)采集和調(diào)節(jié)。同時(shí)也方便軟件編程、干擾防制、以及前向通道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
本單片機(jī)控制系統(tǒng)與外部連接可實(shí)時(shí)接收到外部信號(hào)，以進(jìn)行對(duì)外部設(shè)備的控制，這種閉環(huán)系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，從而制定出一個(gè)合理的方案，圖1所示是電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)框圖。

本系統(tǒng)先由單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)通過(guò)傳感器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)并傳送給單片機(jī)，單片機(jī)再通過(guò)軟件將測(cè)速信號(hào)與給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，從而決定電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)將當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速值送LED顯示。此外，也可以通過(guò)設(shè)置鍵盤(pán)來(lái)設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置由霍爾傳感器組成，并通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再以脈沖形式傳給單片機(jī)。這種設(shè)計(jì)方法具有頻率響應(yīng)高(響應(yīng)頻率達(dá)20 kHz以上)、輸出幅值不變、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其中霍爾傳感器輸入為脈沖信號(hào)，十分容易與微處理器相連接，也便于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分析處理。單片機(jī)的TO口可對(duì)該脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)單片機(jī)的P0．1～P0．5五個(gè)接口來(lái)完成鍵盤(pán)的輸入，P1．6口可完成嗚叫和報(bào)警，P2．0接電機(jī)，P2．1～P2．4接顯示器的位選，P0口為顯示器段選碼，其硬件連接電路如圖2所示。

本系統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(PUlse Width Modulation)原理是：脈沖寬度調(diào)制波由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，其占空比與信號(hào)的瞬時(shí)采樣值成比例。該系統(tǒng)由一個(gè)比較器和一個(gè)周期為T(mén)s的鋸齒波發(fā)生器組成。脈沖信號(hào)如果大于鋸齒波信號(hào)，比較器輸出正常數(shù)A，否則輸出0。圖3所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的調(diào)制原理和波形圖。

設(shè)樣本τk為均勻脈沖信號(hào)，它的第k個(gè)矩形脈沖可以表示為：
其中，x{t}是離散化信號(hào)；Ts是采樣周期，τ0是未調(diào)制寬度，m是調(diào)制指數(shù)?，F(xiàn)假設(shè)脈沖幅度為A，中心在t=kTs處，τK在相鄰脈沖間變化緩慢，那么，其Xp(t)可表示為：
其中，，ωs為電機(jī)角速度，結(jié)合式(2)可見(jiàn)，脈沖寬度信號(hào)可由信號(hào)x(t)加上一個(gè)直流成分以及相位調(diào)制波構(gòu)成。當(dāng)τ0<