摘要：給出了一種基于89C51單片機以及PWM控制思想的高精度、高穩(wěn)定、多任務(wù)直流電機轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)的硬件組成及關(guān)鍵單元設(shè)計方法。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能實時、有效地對直流電機轉(zhuǎn)速進行監(jiān)測與控制，而且輸出轉(zhuǎn)速精度高、穩(wěn)定性好。
關(guān)鍵詞：PWM；實時監(jiān)控；單片機；霍爾傳感器；轉(zhuǎn)速
0 引言
目前使用的電機模擬控制電路都比較復(fù)雜，測量范圍與精度不能兼顧，且采樣時間較長，難以測得瞬時轉(zhuǎn)速。本文介紹的電機控制系統(tǒng)利用PWM控制原理，同時結(jié)合霍爾傳感器來采集電機轉(zhuǎn)速，并經(jīng)單片機檢測后在顯示器上顯示出轉(zhuǎn)速值，而單片機則根據(jù)傳感器輸出的脈沖信號來分析轉(zhuǎn)速的過程量，并超限自動報警。本系統(tǒng)同時設(shè)置有按鍵操作儀表，可用于調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。
1 系統(tǒng)方案的制定
直流電機控制系統(tǒng)主要是以C8051單片機為核心組成的控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)中的電機轉(zhuǎn)速與電機兩端的電壓成比例，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此，由MCU內(nèi)部的可編程計數(shù)器陣列輸出PWM波，以調(diào)整電機兩端電壓與控制波形的占空比，從而實現(xiàn)調(diào)速。本系統(tǒng)通過霍爾傳感器來實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的實時監(jiān)測。系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)包括硬件和軟件兩大部分，其中硬件設(shè)計包括方案選定、電路原理圖設(shè)計、PCB繪制、線路調(diào)試：軟件設(shè)計包括內(nèi)存空間的分配，直流電機控制應(yīng)用程序模塊的設(shè)計，程序調(diào)試、軟件仿真等。
2 硬件設(shè)計
C8051是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有64個數(shù)字I／O引腳，片內(nèi)含有VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器，是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)，并能快捷準(zhǔn)確地完成信號采集和調(diào)節(jié)。同時也方便軟件編程、干擾防制、以及前向通道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
本單片機控制系統(tǒng)與外部連接可實時接收到外部信號，以進行對外部設(shè)備的控制，這種閉環(huán)系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確的實現(xiàn)設(shè)計要求，從而制定出一個合理的方案，圖1所示是電機測控系統(tǒng)框圖。

本系統(tǒng)先由單片機發(fā)出控制信號給驅(qū)動電機，同時通過傳感器檢測電機的轉(zhuǎn)速信號并傳送給單片機，單片機再通過軟件將測速信號與給定轉(zhuǎn)速進行比較，從而決定電機轉(zhuǎn)速，同時將當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速值送LED顯示。此外，也可以通過設(shè)置鍵盤來設(shè)定電機轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速檢測裝置由霍爾傳感器組成，并通過A／D轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號，再以脈沖形式傳給單片機。這種設(shè)計方法具有頻率響應(yīng)高(響應(yīng)頻率達20 kHz以上)、輸出幅值不變、抗電磁干擾能力強等特點。其中霍爾傳感器輸入為脈沖信號，十分容易與微處理器相連接，也便于實現(xiàn)信號的分析處理。單片機的TO口可對該脈沖信號進行計數(shù)。
設(shè)計時，可通過單片機的P0．1～P0．5五個接口來完成鍵盤的輸入，P1．6口可完成嗚叫和報警，P2．0接電機，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，其占空比與信號的瞬時采樣值成比例。該系統(tǒng)由一個比較器和一個周期為Ts的鋸齒波發(fā)生器組成。脈沖信號如果大于鋸齒波信號，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，它的第k個矩形脈沖可以表示為：
其中，x{t}是離散化信號；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為電機角速度，結(jié)合式(2)可見，脈沖寬度信號可由信號x(t)加上一個直流成分以及相位調(diào)制波構(gòu)成。當(dāng)τ0<