基于单片机的直流电机PWM调速控制系统设计.docx

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基于单片机的直流电机PWM调速控制系统设计

基于单片机的直流电机PWM调速控制系统设计

摘要

本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。

本文中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。

另外，本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对直流电机速度的控制。

在软件方面，文章中详细介绍了PI运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。

关键词：

PWM信号，测速发电机，PI运算，直流电动机

ABSTRACT

ThisarticlemainlyintroducesthemethodtogeneratethePWMsignalbyusingMCS-51single-chipcomputertocontrolthespeedofaD.C.motor.ItalsoclarifiestheprinciplesofPWMandthewaytoadjustthedutycycleofPWMsignal.What’smore,tachogeneratorisusedinthissystemtomeasurethespeedofD.C.motor.TheresultofthemeasurementissenttoA/Dconverterafterpassingthefilteringcircuit,andfinallythefeedbacksingleisstoredinthesingle-chipcomputerandparticipatesinaPIcalculation.Asforthesoftware,thisarticleintroducesindetailtheideaoftheprogrammingandhowtomakeit.

Keywords:

PWMsignal、tachogenerator、PIcalculation、DCMotor

1引言

1.1课题背景

1.1.2开发背景

在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。

大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。

所以直流电机的控制是一门很实用的技术。

直流电机，大体上可分为四类：

几相绕组的步进电机、永磁式换流器直流电机、伺服电机、两相低电压交流电机

直流电机的特点是启动转矩大，最大转矩大，转速控制容易，调速后效率很高。

与交流调速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。

随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛应用。

适用范围：

直流调速器可以应用在造纸印刷、纺织印染、光缆设备、电工技术设备、食品加工机械、橡胶加工机械、生物制药设备、电路板设备、实验器材、特种加工、轻工业、输送设备车辆工程、医疗设备、通讯设备、雷达设备等行业中。

高性能的交流传动应用比重逐年上升，在工业部门中，用可调速交流传动取代直流传动将成为历史的必然。

尽管如此，我认为设计一个直流电机调速系统，不论是从学习还是实践的角度，对一名机电工程专业的大学生都会产生积极地作用，有利于提高学习热情。

1.1.3选题意义

直流电机拥有有良好的起制动性能，可应用于在大范围内的平滑调速，也可广泛的应用于许多需要调速或正反向的电力拖动领域中。

在控制角度来看，直流调速更是交流拖动系统的基础。

早期的控制系统较大部分以模拟电路作为基础，有运算放大器、非线性集成电路和少量数字电路等，控制系统的硬件部分功能比较复杂，功能比较单一，而且软件系统不灵活、不好调试，不利于直流电动机调速技术发展和应用范围。

伴随着单片机控制技术的快速发展，使得许多控制功能算法以及软件得以完成，为直流电动机调速控制提供了更大的发展空间，并使系统达到更高的性能。

采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。

传统的控制系统采用模拟元件，虽然满足了生产要求，但由于元件易老化和使用时容易受到干扰影响，并且线路很复杂，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。

目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，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。

因此实现直流无级调速对我们社会生产和生活有着重大的意义。

1.2研究方法及调速原理

直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和他励两种类型。

不同励磁方式的机械特性曲线有所不同。

对于直流电动机的转速有以下公式：

n=U/Cc

-TR内/CrCc

（公式1-1）

其中：

U—电压；

—励磁绕组电阻；

—磁通（Wb）；Cc—电势常数；Cr—转矩常量。

由上式可知，直流电机的速度控制分两种方法，有电枢控制法和磁场控制法。

比较两种方法优劣，对于磁场控制法，其控制功率较小，低速传动时易受到磁极饱和限制，而高速传动时又受到换向火花和换向器结构限制。

所以磁场控制法并不合适，电枢控制法在电机调速中是比较常用的方法。

直流电动机的基本结构直流电机的结构是多种多样的,但任何直流电机都包括定子部分和转子部分,这两部分间存在着一定大小的气隙,使电机中电路和磁场发生相对运动.直流电机定子部分主要由主磁极,电刷装置和换向极等组成,转子部分主要由电枢绕组,换向器和转轴等构成，如图1-1所示：

图1-1直流电机的工作原理图

电枢控制即在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。

在电机调速中广泛使用，其中脉宽调制应用广泛。

脉宽调速的概念是利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。

根据上图，当电动机始终接通电源时，电机转速最大为

，占空比为D=

/T，则电机的平均速度为：

，可见只要改变占空比D，就可以得

到不同的电机速度，从而实现调速。

1.2.1直流调速系统实现方式

PWM为主控电路的调速系统：

基于单片机类由软件来实现PWM，在PWM调速系统中占空比是一个重要参数，电源电压不变时，电枢端电压的平均值取决于占空比的大小，改变的值可以改变电枢端电压的平均值：

1、定宽调频法：

保持

不变，只改变t，使周期也随之改变。

2、调宽调频法：

保持t不变，只改变

，使周期或频率也随之改变。

3、定频调宽法：

保持周期T（或频率）不变，同时改变

和t。

1，2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，因而不合适，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。

1.2.2控制程序的设计

控制程序设计有分软件延时法和计数法。

用软件延时法的思路是：

先计算占空比（t

（1）/T），再由周期给电动机通电M个单位时间t（0），所以M=t（0）/t

（1）。

再断电S个单位时间，所以S=t

（2）/t（0）。

改变了M和S的值，也就改变了占空比的值。

而计数法的原理是：

先计算单位延时个数M，作为定值存放于任意一个存储单元中。

等通电时，对通电单位的时间的次数进行计算，且与存储器内容相比较。

若计数值和给定的值相等时，则使电动机断电，若不相等，则要输出控制脉冲。

软件采用定时中断进行设计。

当单片机上电后，系统进入准备状态。

当按动按钮后执行相应的程序，根据P1.1的高低电平决定直流电机正反转。

根据加、减速按钮，调整P1.1输出高低电平的占空比，从而可以控制高低电平的延时时间，进而控制电压的大小来决定直流电机的转速。

2系统硬件电路的设计

2.1系统总体设计框图及单片机系统的设计

本系统采用AT89S51控制输出数据，由PWM信号发生电路产生PWM信号，送到直流电机，直流电机通过测速电路，滤波电路，和A/D转换电路交数据重新送回单片机，进行PI运算，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。

图2-1系统总体设计图

2.2AT89S51单片机简介

2.2.1AT89S51单片机的组成

AT89S51单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。

其基本组成如下图所示：

2.2.2CPU及部分部件的作用和功能

中央处理器CPU：

它是单片机的核心，完成运算和控制功能。

内部数据存储器：

AT89S51芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH。

通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。

内部程序存储器：

AT89S51芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。

定时器：

AT89S51片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。

中断控制系统：

该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。

2.2.3AT89S51单片机引脚图

2.3单片机系统中所用其他芯片选型

2.3.1地址锁存器

地址锁存器可以选择多种,8282是地址锁存器，功能与74LS373类似，但本系统选用74LS373作为地址锁存器，考虑到其应用的广泛性以及具有良好的性价比，成为目前在单片机系统中应该较广泛的地址锁存器。

74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器。

当使能端呈高电平时，锁存器中的内容可以更新，而在返回低电平的瞬间实现锁存。

如果此时芯片的输出控制端为低，也即是输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可以通过三态门输出。

其引脚图如下所示：

2.3.2程序存储器

存储器是单片机的又一个重要组成部分，其中程序存储器是单片机中非常重要的存储器，但由于其存储空间不足，常常需要对单片机的存储器空间进行扩展，扩展程序存储器常用芯片有EPROM（紫外线可擦除型），如2716（2KB）、2732（4KB）、、27256（32KB）等，另外还有＋5V电擦除E2PROM，如2816（2KB）、2864（8KB）等。

考虑到系统功能的可扩展性以及程序功能的扩展，本系统采用16KB的27128作为程序存储器扩展芯片，在满足系统要求的前提下还存有一定的扩展空间，是本系统最合适的程序存储器扩展芯片。

27128的引脚图如图所示：

2.3.3数据存储器

AT89S51单片机有128BRAM，当数据量超过128B也需要把数据存储区进一步扩展。

常用RAM芯片分静态和动态两种。

静态RAM有6116（2KB）、6264（8KB）等，动态DRAM2164（8KB）等，另外还有集成IRAM和E2PROM。

使用E2PROM作数据存储器有断电保护数据的优点。

数据存储器扩展常使用随机存储器芯片，用的较多的是Intel公司的6116容量为2KB和6264容量为8KB。

本系统采用容量8KB的6264作为数据存储器扩展芯片。

其引脚如下图所示：

2.4AT89S51单片机扩展电路及分析

接线分析：

P0.7---P0.0：

这8个引脚共有两种不同功能，分两种不同情况。

第一种是AT89S51单片机不带片外存储器，P0口作为通用I/O口使用，P0.7---P0.0用于传送I/O数据。

第二种是AT89S51带片外存储器，P0.7---P0.0在CPU访问片外存储器时，用于传送片外存储器低8位地址，最终传送CPU对片外存储器读写的数据。

P2.7---P2.0：

这组接口的第一功能可以作为I/O使用。

它的第二功能与P0口引脚第二功能之间相互配合，作用是输出片外存储器高8位地址，选中片外存储器的单元，但是并不能像P0口那样可以传送存储器读写数据。

P3.7---P3.0：

该组引脚能为传送用户输出/输入的数据。

其第二功能作为控制用，每个引脚不尽相同。

VCC为+5V电源线，VSS为接地线。

ALE/

：

地址锁存/编程线，配合P0口引脚第二功能的使用，在访问片外存储器的时后，AT89S51的CPU在P0.7---P0.0的引线上输出片外存储器的低8位地址，AT89S51下降沿把这个片外存储器低8位地址锁存到外部地址锁存器，空出P0.7---P0.0去传送片外存储器的读写数据。

/VPP：

允许片外的存储器/编程电源线，可以控制AT89S51选择使用片内ROM还是选择使用片外ROM。

如果

=1，那么则允许使用片内；如果

=0，那允许使用片外。

XTAL1及XTAL2：

片内振荡电路的输入线，用来连接AT89S51片内OSC的定时反馈电路。

石英起振时，应能在XTAL2线上导出一个3v正弦波，便于AT89S51片内的OSC电路按石英晶振同样频率振荡，C1C2两个电容可以帮助起振，调节它们同样可以微调fOSC。

3PWM信号发生电路设计

3.1PWM的基本原理

调速采用PWM（PulseWidthModulation）脉宽调制，工作原理：

通过产生矩形波，改变占空比，以达到调整脉宽的目的。

PWM的定义:

脉宽调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。

3.2系统的硬件电路设计与分析

电动机PWM驱动模块的电路设计与实现具体电路见下图。

本电路采用的是基于PWM原理的H型桥式驱动电路。

PWM电路由复合体管组成H型桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合可以分为2组：

两个输入端高低电平控制晶体管是否导通或截止。

4个二极管在电路中的作用是防止晶体管产生不当反向电压，以及电机两端电流和晶体管上的电流过大保护。

在实验中的控制系统电压统一为5v电源，因此若复合管基极由控制系统直接控制，则控制的电压最高是5V，还有三极管本身有压降，电机两端电压有4V左右，严重削弱了电机驱动力。

因此，我们可以运用了TLP521-2光耦集成块，将控制的部分和电机驱动的部分相隔离。

输入端各通过一个三极管增大光耦的驱动电流；电动机驱动部分通过外接12V电源驱动。

这样提高了各模块之间的隔离度，同样使驱动电流得到了大大的增强。

3.3H桥的驱动电路设计方案

H桥式电动机驱动电路包括4个三极管和一个电机，因为它的形状与字母H相似，故因此而得名。

如下图所示，要使电动机成功运转，须对对角线上的一对三极管通电。

据不同的三极管对的导通通电的情况，电流会从右至左或相反方向流过电机，从而改变电机的转动方向。

因此要想使电动机运转，必须使对角线上两个三极管通电。

例如，当Q2管与Q3管导通时，电流从电源正极经Q2从左到右通过电机，再经Q3到电源的负极。

同样Q1与Q4亦是如此，由电流箭头可看，驱动电动机将顺时针转动。

4功率放大驱动电路设计

该驱动电路采用了IR2110集成芯片，该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。

4.1芯片IR2110性能及特点

IR2110是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁CMOS技术，于1990年前后开发并且投放市场的，IR2110的概念即是双通道的高压或高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。

它可以把驱动高压侧和低压侧MOSFET或IGBT功能集成在一个封装内，外部接很少的元件就可以提供非常快的功耗，与此同时，IR2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。

降低了产品成本和减少体积。

4.2IR2110的引脚图以及功能

引脚1（LO）与引脚7（HO）：

对应引脚12以及引脚10的两路驱动信号输出端，使用中，分别通过一电阻接主电路中下上通道MOSFET的栅极，为了防止干扰，通常分别在引脚1与引脚2以及引脚7与引脚5之间并接一个10KΩ的电阻。

引脚2（COM）：

下通道MOSFET驱动输出参考地端，使用中，与引脚13（Vss）直接相连，同时接主电路桥臂下通道MOSFET的源极。

引脚3（Vcc）：

直接接用户提供的输出极电源正极，并且通过一个较高品质的电容接引脚2。

引脚5（Vs）：

上通道MOSFET驱动信号输出参考地端，使用中，与主电路中上下通道被驱动MOSFET的源极相通。

引脚6（VB）：

该端阳极通过阴级与引脚3的高反压，恢复二极管相连，与用户的输出极电源相连，对Vcc的参数要求为大于—0.5V。

引脚9（VDD）：

芯片的输入级电源端，使用中，接用户为该芯片高性能的电源，为了抗干扰，该端应该通过高性能的去耦网络的接地，该端可以和引脚3（Vcc）使用同一个电源，同样也可以把他们分开使用两个相互独立电源。

引脚10（HIN）与引脚12（LIN）：

驱动逆变桥中同桥臂上下两个功率MOS器件的驱动信号的输入端。

在应用过程中，接用户脉冲部分相对应的两路输出，一般对这两个信号限制为Vss-0.5V至Vcc+0.5V，这里Vss与Vcc分别把他们相连接到IR2110的引脚13（Vss）与引脚9（VDD）端电压值。

引脚11（SD）：

保护信号的输入端，当该引脚为高电平时，IR2110输出的信号全部被封锁，其对应的输出端是低电平，但当该端接到低电平时，则IR2110的输出相应伴随引脚10与12的变化而变化。

引脚13（Vss）：

芯片工作参考地端，使用中，直接与供电电源地端相连，所有去耦电容的一端应接该端，同时与引脚2直接相连。

引脚8、引脚14、引脚4：

为空引脚。

如图4.2

4.3IR2110的极限参数和限制：

最大高端工作电源电压VB：

-0.3V至525V

门极驱动输出最大（脉冲）电流IOMAX：

2A

最高工作频率fmax：

1MHz

工作电源电压Vcc：

-0.3V至25V

贮存温度Tstg：

-55至150°C

工作温度范围TA：

-40至125°C

允许最高结温Tjmax：

150°C

逻辑电源电压VDD：

-0.3V至VSS+25V

允许参考电压Vs临界上升率dVs/dt：

50000V/μs

高端悬浮电源参考电压Vs：

VB-25V至VB+0.3V

高端悬浮输出电压VHO：

Vs-0.3V至VB+0.3V

逻辑输入电压VIN：

Vss-0.3V至VDD+0.3V

逻辑输入参考电压Vss：

Vcc-25V至Vcc+0.3V

低端输出电压VLO：

-0.3V至Vcc+0.3V

功耗PD：

DIP-14封装为1.6W

图4.2

5主电路设计

5.1延时保护电路

利用IR2110芯片的完善设计可以实现延时保护电路。

R2110使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率MOS器件的驱动信号之间有一互琐时间间隔，因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通而发生直流电源直通路的危险。

5.2主电路

从上面的原理可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充电的通路。

因此在这个电路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持续、不间断的导通的。

我们可以采取双PWM信号来控制直流电机的正转以及它的速度。

将IC1的HIN端与IC2的LIN端相连，而把IC1的LIN端与IC2的HIN端相连，这样就使得两片芯片所输出的信号恰好相反。

在HIN为高电平期间，Q1、Q4导通，在直流电机上加正向的工作电压。

其具体的操作步骤如下：

当IC1的LO为低电平而HO为高电平的时候，Q2截止，C1上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q1的栅极上，从而使得Q1导通。

同理，此时IC2的HO为低电平而LO为高电平，Q3截止，C3上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q4的栅极上，从而使得Q4导通。

电源经Q1至电动机的正极经过整个直流电机后再通过Q4到达零电位，完成整个的回路。

此时直流电机正转。

在HIN为低电平期间，LIN端输入高电平，Q2、Q3导通，在直流电机上加反向工作电压。

其具体的操作步骤如下：

当IC1的LO为高电平而HO为低电平的时候，Q2导通且Q1截止。

此时Q2的漏极近乎于零电平，Vcc通过D1向C1充电，为Q1的又一次导通作准备。

同理可知，IC2的HO为高电平而LO为低电平，Q3导通且Q4截止，Q3的漏极近乎于零电平，此时Vcc通过D2向C3充电，为Q4的又一次导通作准备。

电源经Q3至电动机的负极经过整个直流电机后再通过Q2到达零电位，完成整个的回路。

此时，直流电机反转。

因此电枢上的工作电压是双极性矩形脉冲波形，由于存在着机械惯性的缘故，电动机转向和转速是由矩形脉冲电压的平均值来决定的。

设PWM波的周期为T，HIN为高电平的时间为t1，这里忽略死区时间，那么LIN为高电平的时间就为T-t1。

HIN信号的占空比为D=t1/T。

设电源电压为V，那么电枢电压的平均值为：

Vout=[t1-（T-t1）]V/T

=（2t1–T）V/T

=（2D–1）V

定义负载电压系数为λ，λ=Vout/V,那么λ=2D–1；当T为常数时，改变HIN为高电平的时间t1，也就改变了占空比D，从而达到了改变Vout的目的。

D在0—1之间变化，因此λ在±1之间变化。

如果我们联系改变λ，那么便可以实现电机正向的无级调速。

当λ=0.5时，Vout=0,此时电机的转速为0；

当0.5<λ<1时，Vout为正，电机正转；

当λ=1时，Vout=V,电机正转全速运行。

5.3输出电压波形

图电压波形

5.4测速发电机

测速发电机是输出电动势与转速成比例的微特电机，分为直流与交流两种。

其绕组和磁路经过精确设计，输出电动势E和转速n成线性关系，即E=kn，其中k是常数。

改变旋转方向时，输出电动势的极性即相应改变。

当被测机构与测速发电机同轴连接时，只要检测出输出电动势，即可以获得被测机构的转速，所以测速发电机又可以称为一种速度传感器。

测速发电机广泛应用于各种控制系统中，作为一种检测速度元件，它可以调节电机的转速也可以通过反馈作用，用以提高系统稳定性或者系统的精度。

5.4.1电机速度的测量并显示功能仿真

对电机转速的显示，为使用者提供了更为直观的界面。

用户可以根据液晶显示屏上的数字，调整电机的转速，为调速提供了方便。

从显示数字的稳定程度，也可以判断电机转速的稳定性。

若显示数字几乎不变，则说明电机工作十分稳定；与之相反，显示数字不停地变化，则说明电机工作非常不稳定。

图直流电机系统的Proteus仿真

5.5滤波电路

图滤波电路

5.6A/D转换

5.6.1芯片ADC0809介绍

ADC0809是8位、逐次比较式A/D转换芯片，具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一的+5V电源，其模拟量输入电压的范围为0V---+5V，其对应的数字量输出为00H---FFH，转换时间为100μs，无须调零或者调整满量程。

5.6.2ADC0809的引脚及其功能

ADC0809有28个引脚，其中IN0---