单片机控制的PWM直流电动机调速系统的设计

单片机控制的PWM直流电动机调速系统的设计

李凯

（天津六〇九电缆有限公司天津300000）

摘要：近年来，将单片机引入到直流电动机调速系统中也使得该系统可利用软件技术实现多项控制功能，极大提升了直流电动机控制的灵活性。在各类机电设备中，直流电动机以其良好的性能在现代工业部门中得到广泛应用。本文所提到的直流电机调速系统，是以单片机作为电机调速系统的核心控制器，使用PWM信号来控制直流电机的速度等方面来实现的。

关键词：单片机；控制；PWM直流电动机；调速系统

前言：

相较于交流电动机，直流电动机的调速原理比较简单，通过改变电动机电压即可实现调速。而改变电动机电压的办法却很多，最为常用的则是PWM脉宽调制。改变电动机的输入占空比可调控电动机的平均电压进而实现调速。

一、直流电动机调速系统的单片机控制系统设计

1.1硬件设计

采用单片机输出数据，由PWM信号发生电路发送PWM信号到直流电机，然后通过测速电路、滤波电路和A/D转换电路将数据重新发回单片机，从而进行PI运算以实现对电动机速度和转向的调控。该单片机都以片内的单一总线进行连接，构成的基本结构仍然是通用CPU配置外围芯片的构成模式，在功能单元控制方面则采用特殊功能寄存器集中控制方法。

复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位电路通常分两种：上电复位和手动复位。有时系统在运行过程中出现程序跑飞得情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位，所以本次设计选用手动复位。随计算机技术及电力电子技术的发展，PWM波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用以89C51单片机为控制核心，晶振频率为12MHz定时计数器TO、T1作定时器使用，工作在方式1，定时时间为0.1ms，若PWM波形的频率为50Hz，占空比为1：1，则和R0载入30H和31H单元的值初始100，若在程序中利用按键产生中断调用来改变30H和31H单元的值就可以改变占空比。

在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用IGBT作为主开关元件，对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件。本次系统设计采用集成电路L298来驱动电机。由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若突然将电流切断，将在功率管两端产生很高的电压，损坏器件。我们在此电路中应用的是二极管来续流，利用二极管的单向导通性。

1.2保护电路设计

为了防止功率管和负载因过电流损坏，需对电流值进行严格控制。电流值的大小可以根据稳压二极管稳压值及电流检测电阻计算出来。SD端的过电流保护功能应慎重使用，因为大电流关断下di/dt很大，控制及驱动电路屏蔽不好情况下会串入很大的干扰信号，很容易引起SD端保护误动作。电机PWM驱动模块的电路示意图如下：

1.3软件设计

电机控制的快速性要求较高，这边需要它的软件部门要能够实时的进行反映和控制。具体内容是要求了在一定阶段内，微机实现各种软件处理工作。比如一些反馈信号的判断、分析和计算，如果超出了时间范围，便没有价值了。

可靠性是软件避免可能问题发生的能力大小，以及其一旦出现问题的恢复能力。所以，为了提升系统软件的可靠特征，在进行软件的设计的时候，需要将电机运行中可能性的问题包含在内。及时的采取对策，防范后期运行风险。

1.3.1主程序设计

主程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值，这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是由单片机P1口生数据送到PWM信号发生电路，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比进而控制电机的转速。

1.3.2软件调试

在软件设计编程中，经常会出现问题，包括键盘扫描、PWM信号产生电路的控制和单片机控制直流电机转动方向等问题。总结软件调试过程，可以认识到软件调试过程需注意的几个关键点：

①仔细检查源代码，看看是否有编程语言语法的错误；

②子程序设计找出错误和重点调查；

③使用各种方法来仔细检查程序，一步步操作，直到系统调试成功为止。

1.4电机转速检测模块电路设计

现在对电机转速测量应用较多的装置为光电码盘。它的基本测速原理为当电机的转轴旋转时进而带动码盘转动，码盘一周刻有无数夹缝，当光透过夹缝被接收元件接收，通过信号调理电路输出一个标准（脉冲）信号送入带有计数功能的装置。本设计所用的增量式高线程的光电编码器且与直流电机为一体。

1.5系统软件设计

当把直流电机闭环控制所需的程序编译没有错误，利用编译环境把程序通过J-LINK下载到单片机。闭合直流电机闭环控制模块的电源开关，电机开始转动，S单片机隔50ms采集电机转速，增量式PID运算，调剂PWM波的占空比。不断地调试PID参数，可以使电机的转速达到给定值。系统的主程序是一个循环程序。其速度控制算法采用增量式PID算法]。相比于位置式PID算法，增量式PID算法不容易引起积分饱和，因此能获得更好的控制效果。

二、系统仿真

选择proteus仿真软件，利用proteus绘制系统电路图。如果程序在keilC调试通过，将生成以HEX为扩展名的文件，这是为了使系统能在Proteus文件成功模拟的重要文件。一些文件被加载到单片机系统的仿真，验证是否能完成直流电机调速。如果不成功，回到软件调试步骤继续进行调试，识别和修正错误并重新运行系统。硬件电路仿真设计是根据设计方案完成的，在模拟过程中也遇到了许多问题，如元件选择、电路设计和选择元素等。因此，要熟悉和掌握系统组件的使用方法和原则。

2.1仿真结果分析

当仿真开始运行时，各个模块处于初始状态。点击右边的独立键盘加速或是减速按钮。显示模块便开始显示数字，然后点击正传或是反转。电机的驱动模块能够实现电机的正转、反转、加速、减速、停止等操作。且改变PWM脉冲时的占空比电机的工作电压改变。因此，当按键P1.0按下的时候电机开始转动；当P1.1按下的时候电机开始正转，没按下的时候反转；当P1.2按下的时候电机加速，P1.3按下开始减速。从仿真结果可以看出，本设计可以得到预期的仿真效果。

结束语：

本文介绍了一种基于单片机的直流电机调速系统的设计，采用单片机实现对直流电机的PWM波脉宽调速控制，不仅提高了控制器的性价比，而且具有稳定性好、精度高和响应速度快等优点。对未来管道机器人的研究有一定的实用价值。

参考文献：

[1]意法半导体STM32系列STM32F10332位微控制器[J].今日电子，2008（2）：61.

[2]贾玉瑛，王臣.基于单片机控制的PWM直流调速系统[J].包头钢铁学院，2005，2（12）：334