直流电机驱动与控制系统设计

江苏省电力公司检修分公司 赵海峰
【摘要】智能化变电站的建设，对统一坚强智能电网的形成和运行具有重要的支撑作用，对安全、可靠、经济、环保、智能地传输、分配和使用电能具有重要的 保障作用。本文尝试从智能化变电站的概念、功能、结构和技术特征等方面进行分析，以提出现阶段智能化变电站运行管理方面的建议。 【关键词】智能化；变电站；运行管理
1.引言 近年来，随着智能电网建设大潮拉开 序幕，各地智能化变电站相继建成投运， 智能化变电站也逐渐进入了人们的视野。 在现阶段技术还没有十分完善、设备非常 可靠的情况下，如何更好地运行管理智能 化变电站，使其安全、可靠、经济、智能 地传输、分配和控制电能，是电网运行维 护人员需要面对的一个全新课题。 2.智能化变电站的概念和功能 国家电网公司《智能变电站技术导 则》专门对智能化变电站进行了定义：采 用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能 设备，以全站信息数字化、通信平台网络 化、信息共享标准化为基本要求，自动完 成信息采集、测量、控制、保护、计量和 监测等基本功能，并可根据需要支持电网 实时自动化控制、智能调节、在线分析决 策、协同互动等高级功能的变电站。 智能化变电站是数字化变电站的升级 和发展。结合智能电网的需求，智能化变 电站在数字化变电站的基础上，实现一、 二次设备的一体化、智能化的集成和整 合，并加入变电站之间、变电站与电网调 度之间的信息共享和互动功能，以及风能
》》 电工研究
直流电机驱动与控制系统设计
西南交通大学 何 登 华秀洁
【摘要】介绍了基于AT89C52单片机，利用光电传感器检测直流电机的转速，采用PWM调速方式，通过AT89C52单片机产生控制信号直接控制驱动芯片 LMD18200，从而间接控制直流电机的速度、正反转，以及停止，并可以调节速度至预先设定的速度。 【关键词】直流电机；单片机；lmd18200；PWM调速
图1 智能化变电站综合自动化系统典型结构示意图
3.智能化变电站的技术特征和系统结 构
由于智能化开关和光电式/电子式互 感器的应用，各类数据、信号从源头实现 数字化，智能化变电站真正实现了数据共 享，网络通信和信息集成。信息的集成化 改变了传统变电站的保护、测控、计量、 录波等功能单一、设备独立的模式，避免 设备重复配置，降低了智能化变电站的建 设成本。由于一、二次设备的高度集成， 设备也更加紧凑，变电站内部，变电站与 电网调度间实现无缝通信，简化了系统的 建设和维护难度。在线监测、在线分析决 策等高级应用，使智能化变电站内设备无
作者简介： 何登（1989—），男，云南镇雄人，硕士研究生， 现就读于西南交通大学。 华秀洁（1989—），女，江苏海安人，硕士研究 生，现就读于西南交通大学。
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直流电机在机器人和各种自动化控 制领域发挥着重要的作用，而对电机速 度的控制尤其重要，传统的控制系统通 常采用模拟元件，如晶体管、各种线性 运算电路等，虽在一定程度上满足了生 产要求，但线路复杂、通用性差，控制 效果受到器件性能、温度等因素的影响， 从而使系统的运行特性也随之变化，故系 统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚 至出现事故[1]。直流电机的数字控制已经 成为了电动机控制的发展趋势，用单片机 对电动机进行控制是实现电机数字控制的 最常用手段，但是仅仅使用单片机进行控 制会使运行程序复杂。为了减小单片机的
智能化变电站紧密联接全电网。作 为智能电网的一个重要节点，智能化变电 站有利于加强智能电网各环节联系的紧密 性，有利于智能电网对事故的预防和控 制，实现不同层次上的统一协调。智能化 变电站的设计和运行水平与智能电网保持 一致，能够满足智能电网安全、可靠、经 济、高效、清洁、环保、开放等性能要 求，更好地对系统电压和无功功率，电流 和潮流分布进行控制。智能化变电站在特 高压设备绝缘、大容量负荷开断等方面的 性能，对特高压输电网的建设也是一个有 力的支持。由于一、二次设备的高度智能 化集成，以及标准化设计制造，还可以实 现智能化变电站的模块化安装，缩短变电 站建设周期，降低建设成本。
在本设计中，按键和键盘都是直接输 入单片机的，其中按键有两个，一个是输 入直流电机的启动请求信号，令一个是输 入直流电机停止请求信号。这两个按键可 以连接在单片机P2口中任意闲置的引脚。 键盘由单片机P1口连接，功能是给定直流 电机需要的速度和输入直流电机正反转的 请求信号。
2.系统软件设计 本系统的程序采用c语言编写，整个 程序包括主程序，键盘和按键扫描子程 序、数码管显示子程序及速度检测中断子 程序。其主程序设计流程图如图6所示。 3.结束语 直流电机的数字控制已经逐步替代由 模拟元件组成的传统控制，但是数字控制 的复杂程度也是一个不容忽视的问题。基 于单片机的直流电机驱动与控制系统中不 仅实现了对直流电机的方向及速度控制，
1.5 单片机电路及速度显示电路 单片机是整个系统的核心，这整个系 统起到举足轻重的作用。考虑到软件部分 的程序简单，结合成本考虑，本设计中选 用了AT89C52单片机，单片机电路包括单片 机、单片机的复位电路及单片机的晶振电 路。速度显示电路采用四个数码管显示， 连接在单片机的P0口和P2口的四个引脚。 1.6 按键和键盘
发电、太阳能发电等间歇性分布式清洁能 源“即插即退”的接口。
智能化变电站与传统变电站相比， 最大的变化就是，一次设备智能化，二次 设备网络化，一、二次设备智能化综合集 成，主要特点是对过程层、间隔层设备的 升级，将一次系统的模拟量和开关量就地 数字化，用光缆代替传统的电缆连接，实 现过程层设备与间隔层设备之间的通信。
脚控制直流电机转动的方向，调节5号引 脚PWM信号的占空比调节直流电机转速的 大小，5号引脚控制直流电机的启动和停 止，具体来说当为低电平，直流电机转 动停止，9号引脚是温度报警输出信号， 当芯片结温度高于145度时，LED灯自动点 亮。这种驱动电路不仅硬件电路结构简 单，而且只需要两个控制信号，这样大大 减小了软件部分的工作，使整个系统结构 得到优化。
图1 硬件组成结构框图
图2 稳压电路
图3 隔离电路
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图4 转速检测电路 /2012.11/
负担，本文使用专门的直流电机控制芯片 LMD18200，设计了一种基于单片机的直流 电机驱动控制系统。
1.硬件电路的组成 系统硬件电路结构框图如图1所示， 主要包括单片机电路、稳压电路、转速 检测电路、转数显示电路、隔离电路、 LMD18200驱动电路等。 1.1 稳压电路 硬件系统需要两个不同大小的电压供 电。一个电压是所用驱动芯LMD18200电源 端口的电压，该电压最大可以使用55V， 在该硬件电路中使用的是24V；另一个电 压大小为5V，该电压提供给单片机、转数 测量电路中的LM393芯片以及隔离电路中 的光电耦合芯片6N137。为了减少成本， 硬件调试方便及满足设计的合理性，本设 计中使用了稳压芯片LM7805，从而实现一
图5 LMD18200驱动电路
图6 主程序设计流程图
个24V电源对整个硬件电路供电。具体电 路如图2所示。电路左边接入24V的电经过 稳压芯片LM7805将右边输出电压稳定到 5V。
1.2 隔离电路 单片机输出的控制信号包括PWM控制 信号和转向信号。由于驱动芯片LDM18200 的控制信号是由单片机产生的，而驱动芯 片输入电压较大，如果电路发生问题，电 流就直接流入单片机，这样会对单片机造 成损害，为了解决这个问题，在单片机和 驱动芯片之间接入隔离电路，从而使单片 机和驱动芯片进行隔离。同时考虑到PWM 信号频率高[2]，高达16.5khz，普通的光 电隔离器件不能应用，故选用了高速光电 耦合器芯片6N137。以PWM信号为例，转向 信号类似，具体电路如图3所示，该种连 接方法在传输过程中逻辑状态不变，单片 机产生的PWM信号从芯片6N137的3号引脚 输入，从网络标号PWM端输出。 1.3 转速检测电路 采用光电传感器测量直流电机的转 速。在直流电机转轴的末端贴上一个黑白 交替的塑料卡片，该塑料卡片由三层组 成，上下两层由透明塑料组成，中间夹着 十张均匀分布的小黑纸。根据光电传感器 的工作原理，直流电机转动一周，光电传 感器输出引脚输出十个脉冲信号。同时考 虑到光电传感器输出的脉冲信号不规则， 将其输入到单片机后，不宜于单片机对其 识别，因此在光电传感器的输出引脚连接 一个由运放芯片LM393组成的脉冲整形电 路[3]。具体电路如图4所示，最终获得的 脉冲信号由LM393芯片的2号引脚输入到单 片机的T0引脚。这种测速方法，不但成本 低，安装方便，不受外界磁场的干扰，而 且测量精度也极大提高。 1.4 LMD18200驱动电路 LMD18200是美国国家半导体公司(NS) 推出的专用于直流电动机驱动的驱动芯 片，该芯片峰值输出电流高达6A，连续输 出电流达3A，工作电压高达55V，而其具 有温度报警、过热与短路保护功能及良好 的抗干扰性，故本设计采用了该芯片，具 体驱动电路如图5所示。通过控制3号引
而且设计中大量集成芯片的使用，简化了 整个系统的结构，使得硬件调试方便，工 作可靠性高，更为重要的是减少了数字控 制的工作量，从而减少成本。
参考文献 [1]刘晓欧,尹韵平,严光洪.基于MSC Nastran的水下 环肋圆柱壳体振动模态计算方法[J].计算机辅助工 程,2006(S1):124-127. [2]王磊,艾晓庸,朱齐丹.基于LMD18200组件的直流电 机驱动器的设计[J].仪器仪表装置,2004,25(1). [3]茹占军,谢家兴.基于AT89S52单片机直流电机调速 系统设计[J].软件导刊,2010,9(8).