基于单片机的直流电机PWM调速控制文献综述.docx

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基于单片机的直流电机PWM调速控制文献综述

本科毕业论文（设计）文献综述

题目:

直流电机调速的研究现状及发展趋势

姓名:

杨林

学院（部）:

信息与工程学院

专业:

生物医学工程

班级:

生物医学工程1班

学号:

0903030027

指导教师:

张鑫职称:

2012年10月25日

直流电机调速的研究现状及发展趋势

摘要：

本文阐述了直流电机调速控制系统的发展情况，首先包括各种直流电机的调速方式介绍，再到从单一的调速加入单片机的控制、转速的采集和显示器显示转速等方式来实现实时调控，以及国内外各个高校及专业人员就自己擅长的方面进行探索并取得一定的研究成果。

其次具体讲述了各种调速调速系统中的一些关键模块，如：

单片机控制、PWM脉冲如何产生、如何改变PWM脉冲占空比调速、如何改变电阻调速、如何采集转速和显示等等，最后浅谈一下各模块中的优异和可以采取的改进方法，以及当下比较适宜的处理办法。

关键词：

单片机；调速；直流电机

Dcmotorspeedregulatingresearchsituationanddevelopmenttrend

Abstract:

thispaperdescribesthesituationoftheDCmotorspeedregulationcontrolsystemdevelopment,Firstly,itincludesallkindsoftheDCmotorspeedcontrolmodeisintroduced,andthenfromasinglespeedtojoinMCUcontrol,thespeedoftheacquisition.Thedisplayshowsspeed,andotherwaystorealizereal-timecontrol,anddomesticandforeignvariouscollegesanduniversitiesandprofessionalpersonnelisgoodataspectsofexplorationandobtainedacertainresearchresults.Secondly,thepaperspecificlysayaboutallkindsofspeedgoverningsystemofsomekeymodules,suchas:

MCUcontrol,howtoPWMpulseproduce,andhowtochangethePWMpulsedutyratiocontrol,howtochangetheresistanceofmotorspeed,howtogatherthespeedanddisplay,andsoon,.Finallytalkabouthoweachmoduleoftheexcellentandcantakeimprovementmethods,aswellasthesuitableprocessingmethod.

Keywords:

MCU;Speedcontrol;Dcmotor

引言

现在电气传动的主要方向之一是电机调速系统采用微处理器实现数字化控制，随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。

并且伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。

直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了［１］。

改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。

1、直流电机调速的发展

近年来，各国对调速控制技术的研究越来越多，也越来越深入，逐步向着简单化、智能化、综合化的方向发展［２］

1、1电机的几种种调速方法

（1）双闭环直流调速系统［3］：

在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串联连接来实现转速和电流两种负反馈分别起作用。

把转速调节器ASR的输出当作电流调节器ACR的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置GT,TA为电流传感器,TG为测速发电机。

如图1示：

图1转速、电流双闭环调速系统

双闭环调速系统是基于“最短时间控制”原则设计的,在充分发挥电机过载能力的同时,可以获得良好的静、动态性能,在实际工程中有一定的应用价值，但在设计中对稳态指标和动态指标要求较高，并且在电流调节器的设计和速度调节器中时间常数的计算较为复杂，所以逐渐被其他调速系统所取代。

（2）调频调速系统[4]:

系统采用ARM作为控制器，通过转速与频率、细分倍数直接的关系来调节电机速度，电机转速=60倍频率与200倍细分倍数的商，细分驱动方式下由于步距角小，电机控制精度明显提高，同时这种方式可以抑制低速运行中产生的噪声和震荡现象。

（3）PID调速方式[5]：

PID控制在本质上是一种线性控制方式，其控制性能取决于被控对象的数学模型精度，PID调速结构包括传统PID控制。

传统PID控制的问题是其控制性能依赖于控制对象精确的数学模型，Kp为比例系数,Kd为微分,如图2所示：

图2传统PID控制器系统

（4）PWM调速方式[6]：

PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。

PWM可以应用在许多方面，比如：

电机调速、温度控制、压力控制等等。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。

通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。

也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

如图3所示：

图3PWM方波

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为Va=Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；D=t1/T是指占空比[7]。

由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。

严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。

基于单片机类由软件来实现PWM：

在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压

不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。

改变占空比D的值有三种方法[8]：

A、定宽调频法：

保持

不变，只改变t，这样使周期（或频率）也随之改变。

B、调宽调频法：

保持t不变，只改变

，这样使周期（或频率）也随之改变。

C、定频调宽法：

保持周期T（或频率）不变，同时改变t1和t。

前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），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来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。

利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。

2、电机驱动系统

目前直流电机的驱动方式主要有两种形式：

线性驱动方式和开关驱动方式[7]。

随着电子技术的不断发展,出现了一系列电机驱动芯片L298，L6203，LMD18200等等，这些芯片体积小巧,外围只需添加少量几元件即可工作,而且编程简单，结构简单、功耗低及组网方便等特点,因而具有较高的实用价[8]。

2006年，张悦玲,高文彦,刘万成在80C196KB/KC单片机的直流电机控制器设计中，采用驱动模块LMD18200芯片，从而实现PWM的控制，该芯片内部集成了H型驱动桥,只需要输入方向、转速等信号及其相关保护电路即可，芯片内设有过热报警输出和自动关断保护电路。

单片机的高速输出口获得PWM调制信号直接输入给芯片的调速管脚，驱动芯片需要外接电容22nF，外接电容越大，工作频率越高。

2008年，赵鸿图在基于单片机AT89C51的直流电机PWM调速系统采用L298驱动[9]，L298是由达林顿管组成的双H桥高电压大电流集成PWM电路。

PWM电路由四个大功率晶体管组成的H桥电路构成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，根据调整输入脉冲的占空比，精确调整电动机转速。

这种电路由于管子的只在饱和和截止状态下，效率非常高。

H型电路使实现转速和方向的控制简单化，且电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。

2008年，曹太强,许建平,吴昊,王杰在基于DSP的直流电机数字调速系统设计中用H型双极可逆PWM驱动[10]，直流电动机的转速n正比于电枢端电压U0，所以控制U0就可以控制n。

利用开关管对直流电动机进行PWM调速，通过在一个周期内改变开关管的导通和关闭来改变直流电动机电枢绕组两端的电压，如图4所示：

图4H型双极可逆PWM驱动系统

3、转速检测

转速检测模块常见的通过光耦测速、霍尔元件测速、光电编码测速等等[10]。

霍尔效应：

在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d,当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中kH为霍尔元件的灵敏度。

该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。

工作原理：

霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。

信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。

单位时间内输出的脉冲数N，因此可求出单位时间内的速度V＝NT。

光电编码测速[11]：

光电编码器有4个端口,2个电源端口2个脉冲输出端口（A、B），通过与单片机等硬件相连接来测速，如图5所示：

以上升沿触发为例,当B路信号的上升沿引起中断时,单片机判断PC5信号的电平高低。

若PC5为低电平,则电机为正转,计数器N值加1;若为高电平,则电机为反转,计数器N值减1。

则电机的速度即为一个采样周期中N值的变化量。

图5编码器接口硬件电路

光耦测速[12]：

在电机转轴上安装开有透光小孔的圆盘，在透光孔通过的路径上圆盘两侧分别安装发光器件和光电接收器件。

Q1接收不到DS2的光信号时，Q1截止，该电路输出为高电平；在透光孔经过该位置时，Q1导通，则输出低电平信号。

输出的信号是经过整形处理的负脉冲信号，直接输入给单片机中断引脚，由单片机对脉冲计数，经运算可得电机转速。

如图6所示：

图6光耦测速电路

4、转速显示

显示模块常见有数码管显示和液晶显示[13]。

液晶显示器不仅可以显示数字、字符，还可以显示各种图形、曲线及汉子，并且可以实现屏幕上下左右滚动、动画、闪烁、文本特征显示等功能，较之数码管显示就比较单一了。

目前大部分LED液晶显示器的控制器都有采用型号为HD44780的集成控制器[14]。

HD44780是集控制器、驱动器一体，专用于字符显示控制驱动集成电路。

HD44780是字符型液晶显示控制器的代表电路。

HD44780不仅作为控制器而其具有驱动40×16点阵液晶像素的能力，且驱动能力可通过外接驱动扩展360列驱动。

4、软件编程应用

目前软件编程种类繁多，如C++,VB,C等等一系列编程方式，系统软件主要由主程序MAIN，电机控制子程序和串口通信子程序等组成[15]。

主程序MAIN完成堆栈设置、定时器初始化、中断初始化和各功能模块主程序的调用。

电动机PWM控制子程序模块主要由单片机输出相应的控制信号给直流电动机控制芯片[16]。

单片机根据算法由反馈信号计算得出方向信号和占空比参数大小，再由单片机调用串口通讯子程序。

小结

本文主要从几种调速方式以及电机驱动、软件编程、显示等几个模块展开讨论，对各个调速系统的成果及不足之处都做了一定比较及说明，其次简述了几种调速方式、驱动技术，也综合评价了这些技术的实用性。

目前单片机控制直流电机调速系统主要依赖单片机、驱动器等作为处理的核心，但其在转速检测方面精确度不高、可靠性差，另外在转速显示方面多为数码管显示，这样显示就比较单一，不能满足现实中企业、军用等方面的需求。

因此，更应实现成本低廉、控制效率高、智能化程度高的单片机控制直流电机PWM调速系统。

参考文献

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[9]赵鸿图.基于单片机AT89C51的直流电机PWM调速系统[J].电子技术,2008,（10）,73-76.

[10]曹太强,许建平,吴昊,王杰,基于DSP的直流电机数字调速系统设计,[J]，电力电子技术，2008（02），73-77.

[11]郑宪伟,赵玉林,陈广大.基于AVR单片机的直流电机的PWM闭环调速系统的设计[J].煤矿机械，2008,（01）,120-122.

[12]王松林,刘世江,杨数强.基于L6203的直流电机控制电路设计[J].电子质量,2001,（06）,38-39.

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[15]方力.基于单片机的直流电动机控制系统设计[J].机械制造与自动化,2011,（06）,175-177.

[16]XiaodongZhangBingshuWangYongjun;ApplicationResearchofPWMInverterintheCascadeSpeedControlSystemofInner-feedbackMotor[C].Proceedingsof20099thInternationalConferenceonElectronicMeasurement&Instruments（ICEMI’2009）2009-08-16.