单片技术实践 6

工作模块12

基于PWM的直流

电机控制

情境导入

单片机的电机控制技术应用在各级各类职业技能大赛以及1+X职业技能认证中所占比重越来越大，例如，“电子设计与制作”国赛涉及的智能水果采摘器（见图12-1），智能硬件应用开发1+X职业技能认证涉及的智能搬运小车（见图12-2）。项目描述

设计智能小车控制系统，要求使用51单片机基于PWM技术控制智能小车的速度和方向，并能通过按键实时调整小车的速度。智能小车的车轮电机采用直流电机，电机驱动采用L298N芯片，采用两位共阳极数码管显示PWM波形的占空比，可通过按键调整PWM的占空比，实现加速和减速控制。直流电机控制电路原理图直流电机控制电路设计

电机控制是指对电机的启动、加速、运转、减速及停止进行控制。直流电机的控制非常简单，给电机供电就可以旋转，输入正电压电机就正转，输入相反的电压电机就反转；电压越大电机转速越快，电压越小电机转速越小。可见，要控制直流电机的转速，只要改变电压即可。

通常采用电压源→驱动器→直流电机控制。电压源提供直流电压

，不同的驱动器控制不同的直流电机，操作起来非常灵活。驱动器利用PWM对电机进行调速。

虽然通过单片机I/O端口驱动直流电机时，只要连接在对应的I/O端口并输出高低电平电机就能正转和反转，但是驱动电流不够，所以必须要外加驱动电路，以提供足以保证直流电机转动的电流。常用的驱动电路是H桥电机驱动电路。1.直流电机及控制原理直流电机控制电路设计2.H桥电机驱动电路

1）当开关A和D闭合、B和C断开时，直流电机正常转动，记该旋转方向为正方向。

2）当开关B和C闭合、A和D断开时，直流电机正常转动，记该旋转方向为反方向。

3）当开关A和C闭合、B和D断开，或者开关B和D闭合、A和C断开时，直流电机不转动。此时可以认为电机处于“刹车”状态，电机惯性转动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，起“刹车”作用。直流电机控制电路设计2.H桥电机驱动电路4）当开关A和B闭合或者开关C和D闭合时，直接电源短路，会烧毁电源，严禁出现此类情况。5）当开关A、B、C、D都断开时，电机处于“惰行”状态，电机惯性转动产生的电势将无法形成电路，也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时间。直流电机控制电路设计3.电机驱动芯片L298N简介L298N是内含两个H桥的全桥式驱动器，用于驱动直流电动机和步进电机、继电器、线圈等感性负载。该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以同时驱动两台直流电机。引脚符号功能1、15SENSINGASENSINGB此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号（对应图12-3中的引脚名称SENSA、SENSB）2、3OUT1、OUT2全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载4Vs电机驱动电源输入端5、7IN1、IN2输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A的开关6、11ENABLEAENABLEB使能控制端输入标准TTL逻辑电平信号；低电平时全桥式驱动器禁止工作（对应图12-3中的引脚名称ENA、ENB）8GND接地端，芯片本身的散热片与8脚相通9VSS逻辑控制部分的电源输入端口10、12IN3、IN4输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B的开关13、14OUT3、OUT4全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载直流电机控制电路设计3.电机驱动芯片L298N简介表

L298N的控制逻辑ENA（ENB）IN1（IN3）IN2（IN4）电机LXX停止HHH停止HHL正转HLH反转HLL停止

注：L代表低电平，逻辑0；H代表高电平，逻辑1；X代表任意。

如果希望控制电机的转速，可通过脉冲宽度调制（PWM）来控制电机的电压，需要把51单片机的两个PWM输出口分别连接到L298N的ENA和ENB。直流电机控制—参考程序参考程序见教材1.PWM的概念及实现方法

PWM（PulseWidthModulation）：脉冲宽度调制（简称脉宽调制，即调节脉冲的宽度）是利用微处理器的数字输出对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在测量、通信、功率控制与变换等多个领域中，尤其在电力电子领域应用广泛，如直流电机的无级调速，以及开关电源和逆变器等。直流电机控制—程序解读1.PWM的概念及实现方法

1）脉冲频率（f）：指1s内信号从高电平到低电平再回到高电平的次数，即一秒钟PWM有多少个周期。单位是赫兹（Hz）

2）脉冲周期（T）：与脉冲频率成倒数关系，T=1/f，单位为纳秒（ns）、微秒（μs）、毫秒（ms）等。

3）脉冲宽度（W）：简称“脉宽”，是脉冲高电平持续的时间。

4）占空比（D）：一个脉冲周期内，高电平的时间与整个周期时间的比例。直流电机控制—程序解读2.PWM原理

占空比为50%，表示高电平时间占一半，低电平时间占一半，在一定的频率下，就可以得到模拟的2.5V输出电压。同理，占空比为75%，得到的电压就是3.75V。直流电机控制—程序解读（3）编程实现——1）软件延时产生PWM波。这种编程方法较为简单，缺点是CPU执行软件延时函数时不能执行其他操作，如键盘扫描、显示等，浪费CPU资源。直流电机控制—程序解读（3）编程实现——2）定时器产生PWM波。

定时器产生PWM波的编程思路：首先确定输出PWM波的周期T和占空比D，再用定时器产生一个时间基准t（即一次定时器定时时间），使定时器溢出n次的时间是PWM波的高电平时间。溢出次数n可通过定义一个全局变量来记录。直流电机控制—程序解读2.基于PWM控制智能小车的软件实现用3个按键控制智能小车的速度和方向，并将PWM波的占空比通过数码管显示。编程思路：

（1）PWM波输出：PWM波产生的方法同前，用定时器T0中断产生占空比不同的方波，由按键确定占空比值。详见“void定时/计数器0()interrupt1”部分。（2）按键处理：采用查询法进行按键扫描，读取3个按键值。当key1按下时，智能小车电机正转；当key1再次按下时，智能小车电机反转；当按键key2按下时，智能小车加速，占空比PWM值每次加5；当按键key3按下时，智能小车减速，占空比PWM值每次减5。详见“voidkeyscan()”部分。（3）数码管显示占空比。直流电机控制——扩展

本模块主要是对通过直流电机驱动的智能小车的车轮进行控制，实现正转、反转、加速、减速。在此基础上，可以进行功能拓展，利用51单片机控制L298芯片，编程实现前进、后退、停止、左/右转弯及速度控制功能。编程时可参考表12-3所列的控制电机转动的编码表。

表

控制电机转动的编码表左电机右电机左电机右电机智能小车运行状态IN1IN2IN3IN4１０１