直流电机pwm调速研究及单片机控制实现_W

1、 自动控制机电工程技术 2008 年第 37 卷第 11 期 直流电机 PWM 调速研究及单片机控制实现王苏（武汉理工大学机电工程学院， 湖北武汉 430070）摘要： 论述了直流电机 PWM 调速原理， 详细介绍了以 MCS51 单片机为核心的控制系统实现方法。 直流电机的控制部分采用全桥的场效应管 IRF 功率开关元件， 单片机实现对功率开关元件的 PWM 导通控制、 设定速度并显示以及接收电机转速反馈编码器信号。 关键词： 直流电机； PWM； 单片机 中图分类号： TM33 文献标识码： A 文章编号： 10099492 (2008) 11008203 1 引言 在目前的传动系统中，

2、尽管交流电机在调速控制领域取得了飞速的发展， 在许多领域取代了直流电机， 但直流电机在起动、 制动和调速方面， 以及在只有直流电源的场合的应用优势， 使直流电机仍然具有广泛的应用。 传统的直流电机调速方法很多， 如调压调速、 弱磁调速等 1， 它们存在着调速响应慢、 精度差、 调速装置复杂的缺点， 目 前随着电力开关半导体器件的发展， 直流电机脉宽调制（PWM） 直流调速技术得到了飞速发展， 它具有的调速精 图 1PWM 调速控制输出电压波形度高、 响应速度快、 调速范围宽和耗损直流电机应用的主要调速方式。 2 PWM 直流调速原理 特点， 为使之成 值， 从而改变直流电动机电枢两端电压。 U

3、 U t U U （ ： 占空比， 0燮 燮1） t11 ddT dTT0 Tt tPWM 调速方法通常采用功率场效应管作为主开关元 件， 通过改变开关元件的导通方式及通断比来改变输出电压的大小与极性。 当开关管的栅极输入高电平时， 开关管 1 23 PWM 控制系统硬件组成 系统要求电机能按照设定值运转， 并能实现正反转控制， 同时电机的转速能通过编码器反馈给单片机， 实现速度的闭环控制。 根据直流电机的 PWM 控制要求， 控 制系统的硬件部分主要包括 2 直流电机功率驱动、 电机导通， 直流电动机直流绕组两端有电压 Ud。 t1 （s） 后， 栅极输入低电平， 开关管截止， 电动机电枢两

4、端电压为零。 t2 （s） 后， 栅极输出重新变为高电平。 开关管重复前面的 轴位置检测反馈、 部分。 LED 数码管显示以及操作按键等几个工作， 这样， 对应着输入电平的高低， 直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图 1 所示。 在 PWM 调速系统中， 在电源电压 Ud 不变的情况下， 电枢端电压的平均值 U0 取决于占空比的大小， 即改变占空比的值可以改变电枢端电压的平均值， 从而达到调速的目的。 一般可以采用定宽调频、 调宽调频、 定频调宽三种方法改变占空比的值， 但是前两种方法在调速时改变了控制脉宽的周期， 当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近 时将会引起振荡， 因此常采用定频调宽法改

5、变占空比的31 直流电机功率驱动电路直流电机功率驱动采用 IRF520 NChannel 3 功率场效应管 （92A、 100V， RDS （ON） 027）。 具体电路如图 2 所示。 图 2 中，场效应管的驱动采用了光电隔离将直流电机 的工作电源与单片机系统的工作电源隔离开来， 提高了系 统的可靠性； 采用 4 个功率场效应管组成的全桥电路， 方 收稿日期： 20080515 82机电工程技术 2008 年第 37 卷第 11 期 自动控制图 2直流电机功率驱动电路 便了直流电机的正反转控制， 在电机换向控制时要注意一组管子关断后另一组才能导通， 避免同侧管子同时导通造成短路而烧毁场效应管

6、； 桥路中的二极管为续流二极管， 为场效应管提供保护， 改善了电机的电流特性。 3.2 电机轴转速检测反馈电路 系统中利用增量式光电编码器检测直流电机的实际转速， 光电编码器信号一般有 VCC、 GND、 A、 B 和 Z， 这里只连接电源和 A 信号， 作为直流电机轴的位置和速度信号反馈。 编码器反馈的脉冲信号经过光电耦合器对编码器内部的 OC 输出信号加上拉电阻 （图 3 中 R10）， 经过光电耦合器后信号经过 RC 滤波后送给单片机的外部中断INT0 ， 在 INT0 的中断服务程序中对直流电机的转速进行检测， 实现速度反馈。 3.3 按键操作和 LED 数码管显示电路 按键操作设置

7、10 个数字键， 用于直接输入电机需要的转速， 设置 SPEED UP 和 SPEED DOWN 键用于在当前转速的基础上连续增加或减少转速， 电机旋转方向的改变 通过组合按键实现， 比如本系统中当 SPEED UP 和 SPEED DOWN 键同时按下表示在当前速度下电机转动方向改变。 设定速度和电机当前速度显示由 LED 数码管完成， 系统设置 4 个七段数码管， 有一片 4511BCD 七段显示 图 3电机转速反馈电路 译码完成数码管段驱动， 由单片机 P0 口的低 4 位输出要显示的 BCD 码， 由 P0 口高 4 位对数码管进行位控制， 实现四个数码管的动态显示。 按键和数码管显示

8、电路如 图 4 所示。 图 4按键和 LED 数码管显示电路机电工程技术 2008 年第 37 卷第 11 期 83 自动控制机电工程技术 2008 年第 37 卷第 11 期 所以分配两个单元； 5） PID 运算输出 T1计数初值结果： T1 采用16 位定时器， 单元。 定时器初始化， 两个定时器采用 16 位定时方 式 1 ， 其 中 T0 用作PWM 脉冲周期定时， 本系统中设定 T0 定时为 0 01s ， 即 PWM 脉冲 周期为 100Hz； T1 用作控制在 PWM 脉冲周期中高电平的输出时间， 此时间也是 PID 运算的输出结果。 中 断 系 统 初 始 化 ， 本系统中按

9、键扫描、 编码器脉冲的计数和 PWM 脉冲输出是在中断服务中完成的， 其中按键中断 由 外 部 中 断 INT1 服务， 编码器脉冲计数中断 由 外 部 中 断 INT1 服务， PWM 脉冲输出中断由 T0 和 T1 的中断服务，其中 T1 的定时启动在 分配两个 图 5主程序流程图 图 6键扫描子程序及其中断服务程序流程图 4 直流电机 PWM 控制软件系统 系统软件由主程序 MAIN 和按键扫面子程序模块KEY、 数码管显示子程序模块 DISP、 电机 PWM 控制子程序模块 PWM 构成 4。41 主程序模块 MAIN 主程序 MAIN 完成堆栈设置、 定时器初始化、 中断初始化和各功

10、能模块子程序的调用。 由于系统中主要由中断和子程序调用完成， 需要一定的堆栈空间， 本系统设置 32 个字节的空间， 即将单片机堆栈指针 SP 设置为： （SP） 60H。 此外， 在程序中必须 定义好内部存储器的分配， 包括： T0 服务程序中。 由于按键中断级别和 T0 的级别较高， 所以它们的优先级设定为高级。 主程序中调用的子程序模块有按键扫描子程序模块、 数值转换子程序模块、 PID 运算子程序模块、 数码管显示子程序模块。 其中数值转换子程序用于将按键设定的电机转速转换为 001 秒内编码器的脉冲数； PID 运算子程序用于计算当前输出 PWM 的占空比， 输出为 T1 的定时计数

11、初值。 主程序流程图如图 5 所示。 4.2 按键扫描子程序模块 按键用于设定电机转速， 设定方式有直接数字键设定和连续整数调整， 利用组合键实现电机旋转方向和子程序的退出， 程序流程如图 6 所示。 4.3 数码管显示子程序模块 数码管显示子程序为通用显示子程序， 可以显示设定转速和当前转速， 程序中通过显示存储器的最高位状态来设定该项是否显示。 程序流程如图 7 所示。 4.4 电机 PWM 输出模块 电机 PWM 输出由 P20 P23 控制， 假设当 P20 和P23 为高时电机正转， 则 P21 和 P22 为高时电机反转； 本系统 PWM 调制信号采用 PWM 的频率固定占空比变化

12、的 1）显示区的分配， 要轮流显示设定转速和当前转速， 所以分配四个存储单元； 2） 编码器计数值存储： 采用 3600 脉冲 转的编码器， 所以分配两个存储单元； 3） 按 键 设 定 转 速 存 储 ： 直 流 电 机 转 速 一 般 在 3000r min 以下， 所以分配两个存储单元， 最高位作为电机旋转方向标志； 4） 设定转速转换为 001s 内编码器脉冲数存储： 在 3000r min 全速运行下， 001s 的编码器输出 1800 个脉冲， （下转第 95 页）84机电工程技术 2008 年第 37 卷第 11 期 自动控制其需要的门极出发电流100mA， 也就是可编程序控制器

13、 输出触点的电流很小， 可靠性大大提高。 同时双向可控硅元件体积小、 安装方便、 外行美观， 而且无触点、 可靠性高、 使用寿命长 3。一般情形下， 双向可控硅应当需要保护电路。 由于双向可控硅的额定通态电流较小， 电路电压不是很高，业， 2005 2 胡学林 可编程控制器应用技术 （第 2 版） M 北京： 高等教育， 2005 3 黄伟基于可编程序控制器磁选除铁机控制系统的设计 J 电气自动化， 2007， 29 （6）： 32334 吴启红 变频器、 可编程控制器及触摸屏综合应用技术实操 指导书 M 械工业， 2007 北可以不必添加保护电路。是故障点。 6 结束语 保护电路如果不完善，

14、 可能也 5 陈立定， 等 电气控制与可编程序控制器的原理及应用 M 北械工业， 2004 6 赵秉衡 工厂电气控制设备 M 北京： 冶金工业2001 ， 采用可编程序控制器对机械手的控制系统进行控制， 通过联机调试， 系统运行可靠， 降低了机械手控制系统的故障率， 投入使用后， 运行良好， 值得推广。 参考文献： 第一作者简介： 黄 伟， 男， 1962 年生， 江苏镇江人， 大学本 科， 高级工程师。 研究领域： 工业控制系统的设计开发。 已发表 论文 9 篇。(编辑：向 飞) 1 张桂香， 等 机电类专业毕业设计指南 M 北械工 （上接第 84 页）5 结论 实现 PWM 的方法很多 ，

15、 文 中 给 出 利用 MCS51 单片机实现直流 电机转速控制的PWM 调制控制方法， 电路简单、成本低、 制作简单、 控制响应快。 利用单片机灵活的编程及接口设计可以方便地实现直流电机的速度设定、 反馈及PWM 输出控制， 从而实现一种经济实用的直流电机 PWM 控制系统。 参考文献： 1 邓星钟 机电传动控制 M 武汉： 华中科技大学， 2001 2 铁勇， 郭改枝， 李媛， 等 基于 CPLD 控制的直流电机 PWM 控制器的设计 J 内蒙古大学学报 （自然科学版）， 2006 （6）： 69 3 73 IRF520 DATA SHEET Z INTERSIL COR- PORATION 图 7图 8PWM 输出子程序流程图数码管显示子程序流程图