基于PWM的小功率直流电机调速系统设计学士学位论文.docx
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基于PWM的小功率直流电机调速系统设计学士学位论文
分类号：
TM301UDC：
D10621-408-（2009）1669-0
密级：
公开编号：
2005072064
成都信息工程学院
学位论文
基于PWM的小功率直流电机调速系统设计
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申请学位专业：
电气工程及其自动化
申请学位类别：
工学学士
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日期：
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基于PWM的小功率直流电机调速系统设计
摘要
本设计基于PWM技术实现了对小功率直流电机的转速调节。
以MCS-51系列单片机为控制核心，组成了包括转速调节、转速设置、转速测量和显示等功能的闭环调速系统。
为了实现对转速的灵活控制和高效节能，PWM控制方式配合L298N电机驱动芯片对小功率直流电机进行驱动和调速是较好的调速系统解决方案。
L298N、PWM信号以及电机一起组成了直流斩波电路，其中L298N内部集成两路H桥式电路。
本系统中利用单片机控制片外硬件产生的PWM信号的占空比大小，和处理红外对管采集的电机转速信号。
在数码管上显示当前转速和设置的转速，将当前转速作为反馈信号与设置转速比较，以确定加速还是减速，直到两者相等后保持这个速度稳定运行。
在本设计中编写了调速运算、测速、显示、键盘输入等子程序，充分发挥了直流电机的优良的调速性能。
各部分功能完整，构成了多功能自动化的闭环调速系统。
实测调速效果良好，测速精确，能迅速地调节转速到设定转速稳定运行。
该设计采用元件较少，结构简洁，维护方便，经济实用，有很好的适应性。
关键词：
单片机；PWM；闭环调速系统；直流斩波
Low-PowerDCMotorSpeedControlSystemDesign
BasedonthePWMTechnology
Abstract
Thedesignisaboutlow-powerDCmotorspeedregulationbasedonPWMtechnology.TheMCS-51seriessingle-chipmicrocontroller,asthecorecomponent,isdesignatedtotakechargeofthespeedadjustment,setting,measurementanddisplaywhichisnecessaryforaclosedloopsystem.AnexcellentsolutionhasbeenworkedoutbyusingPWMtechnologycombinedwithL298NmotordriverICasalow-powerDCmotordriver,inordertoachievetheflexiblespeedcontrolandimproveenergyefficiency.Therein,DCchopperconsistoftheL298NwhichcontainstwoH-bridgecircuits,PWMsignalsandDCmotors.ThePWMsignal’sDutycycleisadjustedbythesingle-chipMicro-controller.Themotor’sspeedismeasuredbyaninfraredtubeandaninfraredreceiver,andthentheresultofmeasurementiscomparedwiththesettingvalue.Inthiscase,thespeedcanbeincreasedorreducedaccordingtothecomparisonuntilthetwospeedsabovecometothesamevalue.Inthisproject,programmingisveryimportanttoachievethesefunctionssuchasthespeedregulation,measurement,display,andkeyboardinput.Bugsandlogicfaultsarecorrectedwhenthedevelopmentofsystemisfinished.Basedonthestudyingabove,thissystemhasbeenprovedtobeconvenienttomaintainandeasytooperatewithafewcomponentsandexcellentadaptability.
Keywords:
MCS-51;PWM;ClosedLoopSpeedControlSystem;DCChopper
论文总页数：
49页
1引言
1.1课题背景及意义
直流电机由于具有优良的调速性能，因此在很多需要用到变速的场合有很多的应用。
数控机床，机械控制，机车车辆，实验设备，以致机器人都大量采用直流电机。
特别是现代能源缺乏，为了节能的要求出现了电动自行车，混合动力汽车太阳能汽车等，这些都以直流电机为发动机，这就需要有优秀的调速方案。
直流电机的调速方案一般有下列3种方式：
（1）改变电枢电压；
（2）改变激磁绕组电压；（3）改变电枢回路电阻。
最常用的是调压调速系统，即改变电枢电压，这样是控制性能最好，可近似达到线性调速和无极调速。
作为现代应用调速系统的设计，节能是不可忽视的重点。
直流电机电枢调压调速的核心技术是脉宽调制（PulseWidthModulation）控制技术，该技术通常简称为PWM控制技术[1]。
PWM脉冲信号控制驱动器件的开断，占空比的变化来调节输出的平均功率，在很大程度上节约了电能，不像电枢回路串电阻调速那样消耗能量来达到调速的目的。
在直流调速方面现代电力电子器件如IGBT等已发展得很成熟，脉冲宽度调制（PWM）直流调速系统又有着许多无可比拟的优点，因而具有相当广阔的发展前景。
随着电力电子技术的发展，发展出许多新的电枢电压控制方法，如交流供电，使用晶闸管整流器进行调压；使用硅整流器将交流电整为直流电或直接由蓄电池等直流电源供电，再由PWM脉冲宽度调节降压斩波器进行斩波调速等[1]。
直流电动机的PWM控制可以用不同的控制方法来实现，采用集成PWM控制器，或者采用微机进行控制，或者使用单片机控制等多种方法。
采用PWM脉宽调制的方法控制他励直流电动机的电枢电压，从而达到调速的目的[1][2]。
PWM控制技术主要应用在电力电子技术行业，具体讲，包括风力发电、电机调速、直流供电等领域，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于目前国家提出的节能减排具有积极意义。
1.2本课题研究方法和目标
直流斩波调速器研究的主要思路：
1、硬件部分：
（1）首先确定电机驱动主电路，或采用专用驱动模块，以及设计驱动电路的控制方式。
（2）要驱动模块按照要求驱动电机工作，则需要一个控制信号，这个控制信号就是PWM信号。
设计PWM信号产生电路，以及预置转速输入的键盘电路。
（3）电机的转速由红外对管采样，得到的转速脉冲信号送单片机处理后由LED数码管显示，并且将这个信号作为速度控制的反馈信号。
2、软件部分
（1）键盘输入程序用键盘扫描程序，将按下键的键值提交给单片机作为PWM信号产生子程序的预置值。
（2）触发脉冲采用单片机控制片外硬件产生，编写控制PWM信号的占空比的程序，这个占空比大小是可调的，设计为键盘输入预设转速与当前转速相比较由软件自动调节，然后产生要求的触发信号去控制电机按照我们要求的转速工作。
（3）显示程序就设计LED数码管显示程序，通过单片机对传感器采样的电机转速信号和键盘输入的转速值进行处理，然后在数码管上显示。
本设计将实现直流电机的闭环调速，转速预置，速度显示，速度测量等基本功能。
2调速系统原理
2.1直流电机工作特性及调速原理
根据直流电机的结构分析可得到等效的模型，包括电枢绕组及其等效的电阻等。
直流电动机的转速n和其它参数的关系可用下式来表示：
（2-1）
（2-1）式中：
UN是电枢电压，IN是电枢电流，Ra是电枢回路总电阻，Ce是电势常数，Φ是励磁磁通。
（2-2）
（2-2）式中：
p-磁极对数，N是导体数，a是电枢支路数。
（2-3）
（2-3）式中：
当电机型号确定后，CeΦ为常数，故式式（2-1）改为
（2-4）
在中小功率直流电机中，电枢回路电阻非常小，式（2-4）中INRa项可省略不计，由此可见，当改变电枢电压时，转速n随之改变，达到直流电机的调速的目的。
改变直流电机电枢电压，可通过PWM控制的降压斩波器进行斩波调压[1][3]。
2.2直流调速主要技术介绍
2.2.1直流斩波器介绍
直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流－直流变换器[2]。
它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。
直流斩波器的输出电压平均值可以通过改变占空比，即通过改变开关器件导通或关断时间来调节，常用的改变输出平均电压的调制方法有以下三种：
（1）脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，简称PWM）。
开关器件的通断周期T保持不变，只改变器件每次导通的时间，也就是脉冲周期不变，只改变脉冲的宽度，即定频调宽。
（2）脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation，简称PFW）。
开关器件每次导通的时间不变，只改变通断周期T或开关频率，也就是只改变开关的关断时间，即定宽调频，称为调频。
（3）两点式控制。
开关器件的通断周期T和导通时间均可变，即调宽调频，亦可称为混合调制。
当负载电流或电压低于某一最小值时，使开关器件导通；当电流或电压高于某一最大值时，使开关器件关断。
导通和关断的时间以及通断周期都是不确定的。
常用的电机驱动电路为桥式斩波器，可控制电机启停、换向、调速等，一般使用的桥式斩波器为四象限运行斩波器[2]。
现在市场上出现了许多微型化的斩波器，专用的电机驱动芯片，内部集成了斩波电路，效率高，具有很好的稳定性。
小型直流电机的驱动已广泛采用这种集成斩波芯片。
如L298N就是一中内部集成H桥式斩波电路的直流电机驱动芯片。
2.2.2PWM调速系统的优点
（1）采用全控型器件的PWM调速系统，其脉宽调制电路的开关频率高，一般在几kHz，因此系统的频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强。
（2）由于开关频率高，仅靠电动机电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，同时电动机的损耗和发热都较小。
（3）PWM控制提高了电动机的运行效率[3]。
PWM系统中，主回路的电力电子器件工作在开关状态，损耗小，装置效率高，而且对交流电网的影响小，没有晶闸管整流器对电网的“污染”，功率因数高，效率高。
（4）主电路所需的功率元件少，线路简单，控制方便。
（5）PWM系统很容易实现智能控制，如在MCS-51单片机或PLC等控制器的控制下可实现精确的调节可预置参数实现闭环调节。
目前，受到器件容量的限制，PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统。
3方案研究与主要芯片选择
3.1总体方案原理及设计框图
本设计是基于AT89S52单片机为核心的直流斩波调速器，由单片机控制和产生适合要求的PWM信号，该PWM信号通过驱动芯片或桥式电路进行直流斩波，使输出电压平均值和功率可按照PWM信号的占空比而变化，从而达到对直流电机调转速的目的。
该系统通过红外光电对管对电机转速的采集和反馈[3]，并与预置的转速比较运算，调节电机的转速达到预置转速，构成了一个闭环调试系统[2][3]。
转速的预置由键盘输入，4个键分别负责千、百、十、个位，按下加一，0—9循环，最后一个按键负责确认，按下后电机开始以输入的预置转速为基准调速，直到稳定。
图3.1调速系统框图
3.2PWM产生方式
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”[3]。
PWM波形如图3.2所示：
图3.2PWM波形图
设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为：
（3-1）
则电机的平均速度为
（3-2）
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是指占空比。
由上面的公式（3-2）可见，当我们改变占空比D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可以将其近似地看成是线性关系。
1、单片机片内软件生成PWM信号
PWM信号可以采用单片机定时中断的方式软件模拟产生，这样实现比较容易，电路简单，也可以节约硬件成本，也有一些单片机有了片内的专用PWM模块了，但是这样的单片机价格稍高。
使用软件模拟产生PWM信号时候，会占用单片机的片内资源造成单片机资源不够用。
最主要的是在PWM调制频率较高的时候，频繁的中断和定时操作，或造成单片机繁忙，响应延迟，严重影响单片机的性能，达不到控制要求。
2、单片机外硬件生成PWM信号
PWM信号可以通过锯齿波发生器产生锯齿波信号与可控的调制信号经比较器比较后可以得到相应占空比的PWM信号。
这一调制信号由单片机发生后经过DAC芯片D/A转换即可产生。
使用TL494加外围元件组成锯齿波发生器；选用串行DAC芯片TLC5615为D/A转换芯片，仅有3个引脚和单片机的IO口相连，可以很大程度上节约单片机IO口资源；D/A转换后的信号经过运放LM358AQ前后级隔离并整形后得到一个直流电压即为占空比调制信号；比较器采用LM311，调制信号和锯齿波信号经过比较器比较后得到符合控制要求的PWM信号。
与软件产生PWM的方案相比不占用单片机片内资源，可以在产生高速的PWM信号。
图3.3PWM产生原理图（a.调制原理b.调制波形）
脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。
上图所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图，x（t）即为控制占空比的调制信号。
该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。
语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，否则输出0。
因此，从上图中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。
3、PWM产生方案的确定
经过以上两种PWM产生方式的分析，联系本系统闭环调速还要在测速和显示中用到中断定时器等片内资源，而且对PWM产生和转速控制要求较高响应速度。
故本设计中采用片外硬件产生PWM信号的方式。
3.3电机驱动方式
常用的直流电机驱动方式有H桥驱动方式，在直流电机功率较小时也用三极管或场效应管放大作放大器驱动。
但目前应用最成熟和广泛的还是由三极管，场效应管，晶闸管等这些器件组成的H桥[2]，成本低，效果好，能提供较大的驱动电压和电流，还可以控制电机转向。
图3.4H桥直流电机驱动电路原理图
另外现在市场上有很多专用的电机驱动芯片或模块，使用简单，简化电路和降低电路的故障率。
其中L298N就是一款常用的优秀的电机驱动芯片，虽然最高电压40V，电流最大2A，由于本系统是由小型直流电机，完全能够满足要求，故本系统选用L298N为电机驱动芯片。
3.4其他芯片选择
单片机采用常用的AT89S52，MCS-51构架，性能优秀，价格便宜，下载器等这些维护设备及相应的软件都容易找到，兼容性也很好。
显示芯片采用74595驱动数码管工作，8位显示两个芯片负责段选，一个负责8位位选刚好够，DS，OE，SH三个控制端仅使用单片机3个IO口，节约资源。
为了简化电路在实验室有±12V电源，电源芯片就采用一片7805由12V转为5V稳定直流电源为单片机供电就可以了。
4硬件电路设计
4.1主要芯片介绍
4.1.1L298N的构造及其功能介绍
L298N是直流电机的专用驱动芯片，最高电压可达46V，单路最高的电流可达2A。
它内部由8管构成的双路H桥式驱动电路。
图4.1L298N的内部构造框图
L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。
可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.5～7V电压。
4脚VS接电源电压，VS电压范围为＋2.5～46V。
输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。
L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机的方式，即A通道。
5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转,本设计中ENA接PWM信号。
表4.1是L298N功能逻辑图
表4.1L298N的控制方式
L298N的控制方式
ENA
IN1
IN2
运转状态
0
X
X
停止
1
1
0
正转
1
0
1
反转
1
1
1
刹停
1
0
0
停止
图4.2L298N的引脚图
In3，In4的逻辑图与表4.1相同。
由表4.1可知ENA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当ENA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。
同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。
4.1.2AT89S52的结构和功能介绍
AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S52具有如下特点：
40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求[4]。
表4.2AT89S52的功能特点
AT89S52主要功能特性:
兼容MCS-51指令系统
8k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM
32个双向I/O口
4.5-5.5V工作电压
3个16位可编程定时/计数器
时钟频率0-33MHz
全双工UART串行中断口线
256x8bit内部RAM
2个外部中断源
低功耗空闲和省电模式
中断唤醒省电模式
3级加密位
看门狗（WDT）电路
软件设置空闲和省电功能
灵活的ISP字节和分页编程
双数据寄存器指针
图4.3AT89S52引脚图
4.1.3TL494结构及功能介绍
TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。
TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。
其主要特性如下：
（1）集成了全部的脉宽调制电路。
（2）片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。
（3）内置误差放大器。
（4）内止5V参考基准电压源。
（5）可调整死区时间。
（6）内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。
（7）推或拉两种输出方式。
图4.4TL494引脚图
TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节[3]，其振荡频率如下：
（4-1）
图4.5TL494脉冲控制波形图
输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。
功率输出管Q1和Q2受控于或非门。
当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯
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