趙書(shū)紅

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫，214432）

0 引言

直流電機(jī)因其具有：1）調(diào)速范圍非常廣，比較容易平滑調(diào)速；2）響應(yīng)十分快，啟動(dòng)、制動(dòng)和過(guò)載轉(zhuǎn)矩都很大；3）控制方便，十分可靠；調(diào)速性能非常好、起動(dòng)容易、能夠載重起動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。直流電機(jī)節(jié)能體現(xiàn)方式如下：1）直流電機(jī)的節(jié)能改造技術(shù)是將傳統(tǒng)的直流無(wú)刷電機(jī)改變?yōu)椴竭M(jìn)伺服電機(jī)；2）不同的機(jī)械設(shè)備廠家，都正在尋求更加高效率并且可以節(jié)能的辦法，以前的改造方式大都雖然能一定程度上節(jié)能，但是會(huì)有其他的弊端，直流電機(jī)的節(jié)能改造為工控自動(dòng)化行業(yè)的廠家轉(zhuǎn)型帶來(lái)了新的動(dòng)力[5-7]。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，現(xiàn)在直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中，絕大多數(shù)采用晶閘管相控整流供電，其存在系統(tǒng)體積較大，且模擬電路系統(tǒng)中電阻、電感、電容等模擬電路元件容易受外界環(huán)境溫度、濕度、等因素影響，抗干擾能力差等弊端[8]。近些年以來(lái)，隨著單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等微處理器技術(shù)的不斷提高，制造成本的不斷下降，電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器裝置采用以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，是電氣傳動(dòng)發(fā)展的主要方向之一[9]。為拓展直流電機(jī)應(yīng)用降低控制成本，本文提出基于STC單片機(jī)的小型直流電機(jī)變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在完成Proteus仿真的基礎(chǔ)上，本文完成變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件制作及軟件編程以完成系統(tǒng)控制性能的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示：本系統(tǒng)測(cè)量所得數(shù)據(jù)符合正太分布，無(wú)明顯的差異性，可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的變頻調(diào)速控制，在實(shí)現(xiàn)電機(jī)簡(jiǎn)單操作、低成本控制方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及仿真

1.1 總體設(shè)計(jì)

基于STC單片機(jī)的小型直流電機(jī)變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括主控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、按鍵、液晶顯示及電機(jī)測(cè)速等功能模塊，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。其中，主控制器自主完成電機(jī)測(cè)速數(shù)據(jù)采集，判斷后通過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速控制；按鍵模塊接收用戶控制信號(hào)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速以及停止?fàn)顟B(tài)的控制。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

1.2 系統(tǒng)仿真

為驗(yàn)證系統(tǒng)總體方案的合理性，本文采用Proteus軟件[10]實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真，如圖2所示。Proteus軟件仿真結(jié)果顯示本文所設(shè)計(jì)總體方案可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的變頻調(diào)速控制。

圖2 Proteus軟件系統(tǒng)仿真圖

2 硬件構(gòu)建及軟件編程

2.1 硬件構(gòu)建

2.1.1 主控制器

為降低系統(tǒng)成本，本系統(tǒng)主控制器選用STC單片機(jī)STC89C52，其電氣原理圖如圖3所示。

圖3 主控制器電氣原理圖

2.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)選用L298N芯片，其可以通過(guò)常用的TTL信號(hào)作為輸入信號(hào)，7腳為驅(qū)動(dòng)電源輸入，也就是電機(jī)的電源輸入端，電氣原理圖如圖4所示。

圖4 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.1.3 按鍵電路

本系統(tǒng)按鍵模塊主要用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速以及停止?fàn)顟B(tài)的控制，其中按鍵S2是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)始按鍵，接單片機(jī)的P1.0；按鍵S3是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)停止按鍵，接單片機(jī)的P1.1；按鍵S4是電機(jī)正轉(zhuǎn)控制按鍵，接單片機(jī)的P1.2；電機(jī)反轉(zhuǎn)按鍵是S5，接單片機(jī)的P1.3；按鍵S6是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)加速按鍵，接單片機(jī)的P1.4；按鍵S7是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)減速按鍵，接單片機(jī)的P1.5。

2.1.4 顯示電路

本系統(tǒng)顯示模塊選擇LCD1602液晶顯示屏，其電氣原理圖如圖5所示。

圖5 顯示電氣原理圖

2.1.5 電機(jī)測(cè)速模塊

本系統(tǒng)中電機(jī)測(cè)速選用霍爾傳感器，其電氣原理圖如圖6所示。

圖6 電機(jī)測(cè)速原理圖

2.2 軟件編程

本系統(tǒng)軟件編程按照測(cè)速、速度設(shè)定控制等內(nèi)容完成軟件編程，其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

3 實(shí)物制作及數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)物制作

在完成上述系統(tǒng)硬件構(gòu)建的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)實(shí)物如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)實(shí)物圖

3.2 數(shù)據(jù)分析

將系統(tǒng)實(shí)物通電后，通過(guò)調(diào)整PWM值來(lái)改變速度。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到分析結(jié)果，如下表所示。其中，n為樣本數(shù)量；t為student t檢驗(yàn)[11]（Student’s t test），主要用于樣本含量較?。ɡ鏽<30），總體標(biāo)準(zhǔn)差σ未知的正態(tài)分布；p為相關(guān)性分析，當(dāng)p值大于0.05時(shí)，則說(shuō)明這兩組數(shù)據(jù)沒(méi)有顯著的相關(guān)性；R2代表數(shù)據(jù)的線性度，其數(shù)值越接近1，表明線性度越好。

表1線性回歸分析結(jié)果數(shù)據(jù)顯示R2為0.993≈1即兩組數(shù)據(jù)的線性度很好，即通過(guò)調(diào)整PWM值可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的線性調(diào)速；表2經(jīng)Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)[12]及Shapro-Wilk檢驗(yàn)[13]后正態(tài)性檢驗(yàn)分析結(jié)果顯示實(shí)物測(cè)量所得數(shù)據(jù)符合正太分布的要求，沒(méi)有明顯的差異性；表3配對(duì)t檢驗(yàn)分析結(jié)果顯示PWM值配對(duì)轉(zhuǎn)速p值大于0.05時(shí)，說(shuō)明兩組數(shù)據(jù)沒(méi)有顯著的相關(guān)性，即PWM值對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制性良好。綜上所述：本文所設(shè)計(jì)基于STC單片機(jī)的小型直流電機(jī)變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的高線性度、符合正太數(shù)據(jù)分布的簡(jiǎn)易操作、低成本控制，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

表1 線性回歸分析結(jié)果（n=10）

表2 正態(tài)性檢驗(yàn)分析結(jié)果

表3 配對(duì)t檢驗(yàn)分析結(jié)果

4 總結(jié)

為拓展直流電機(jī)應(yīng)用降低控制成本，本文基于STC單片機(jī)完成小型直流電機(jī)變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在完成Proteus仿真的基礎(chǔ)上，本文完成變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件制作及軟件編程。系統(tǒng)硬件主要由主控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、按鍵、液晶顯示及電機(jī)測(cè)速等部分組成，其中主控制器為STC單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)為L(zhǎng)298，液晶顯示LCD1602、電機(jī)測(cè)速為霍爾傳感器。在完成上述系統(tǒng)硬件構(gòu)建的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示：PWM值與電機(jī)轉(zhuǎn)速的R2為0.993≈1即兩組數(shù)據(jù)的線性度很好，即通過(guò)調(diào)整PWM值可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的線性調(diào)速；正態(tài)性檢驗(yàn)分析結(jié)果顯示實(shí)物測(cè)量所得數(shù)據(jù)符合正太分布的要求，沒(méi)有明顯的差異性PWM值配對(duì)轉(zhuǎn)速p值大于0.05說(shuō)明這兩組數(shù)據(jù)沒(méi)有顯著的相關(guān)性，即PWM值對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制性良好。綜上所述，本文所提系統(tǒng)具有成本較低、操作方便、線性度高、控制數(shù)據(jù)符合正太分布且性能良好，在低成本電機(jī)控制方面具有一定的應(yīng)用前景。