基于单片机控制的PWM直流调速系统.docx

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基于单片机控制的PWM直流调速系统

0引言

脉宽调制（PulseWidthModulation）控制技术，通常简称为PWM控制技术，是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或控制电压脉冲的宽度和周期以达到变压变频目的的一种控制技术。

近年来，电气传动的PWM控制技术以成为电气传动自动控制技术的热点之一。

直流电动机因其可以方便地通过改变电枢电压和励磁0电流实现大范围的调速而得到广泛的应用，调节电枢串联电阻来改变电枢上的电压，是最经典的直流电机调速方法，但是有相当部分的电能消耗在所串联电阻上，很不经济。

80年代，以晶闸管为功率开关器件的斩波调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广。

但晶闸管斩波调速器不足之处是晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现，换流电容和电感增加了装置的成本，也增加了换流损耗；电源电压下降还会导致换流失败，使系统的可靠性降低；此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流环节，使得斩波器的工作频率不能太高（一般在300Hz以下）电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重。

因此直流斩波调速呼唤快速自关断器件。

于是90年代出现了以IGBT为代表，具有自关断能力并可在高速下工作的功率器件作为开关元件的PWM直流调速系统成为更为先进的直流调速方案。

纵观电气传动国内外发展的情况，虽然直流电动机因其结构复杂、成本较高、维修保养费用较贵以及随着电力电子技术的进步对交流调速问题的解决，交流调速在发达国家已经占据主导地位，但是在我国目前仍有大量的各类机床和系统使用直流电动机作为伺服驱动,有些用模拟PWM控制、有些用晶闸管移相控制。

如果将其改造为微处理器控制PWM调速控制，使其具有控制方式多样化,能与数字速度给定信号直接接口等优点，则有利于国家工业化的发展。

PWM直流电动机调压调速系统拥有需用的功率元件少、线路简单、控制方便、开关频率高、低速性能好、稳速精度高及调速范围宽等优点，在工厂企业得到广泛的应用。

通过学习并熟练掌握这个调速系统，对我们今后的工作有十分重要的意义。

1调速原理的分析

本章重点在于直流电动机调速方法的分析，通过对直流电机结构的介绍引出直流电机的调速原理，进而对各种调速方法进行介绍、分析与比较，从而选择应用脉宽调制（PulseWidthModulation）控制技术对直流电动机进行转速控制。

本章最后还对霍尔效应及其原理进行了介绍，目的在于应用霍尔效应实现转速的测量与反馈。

1.1直流电机的结构与调速原理

1.1.1直流电机的结构

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。

结构图如图1-1：

图1-1直流电机结构图

Fig.1-1StructurediagramofDC-motor

1-电刷；2-磁轭；3-永久磁钢；4-极靴；5-电枢绕组；6-内磁轭

1-Brush;2-Yoke;3-PermanetMagnet;4-PoleShoe;5-ArmatureWinding;

6-InnerPunchYoke

1.1.2直流电机的调速原理

为了提高劳动生产率和保证产品的质量，就要求生产机械能以最合理的速度进行工作，这样就要求对生产机械的核心部分——电机，进行调速控制。

直流电机的转速n与其他参数的关系如公式1-1

（1-1）

式中

——电枢供电电压（V）；

——电枢电流（A）；

——电枢回路总电阻（

）；

——励磁磁通（Wb）；

——电势系数；

由公式1-1可见，改变

、

、

这三个参数中的任何一个都可以另转速得到改变。

所以直流电机有三种基本调速方法：

1）改变电枢的供电电压；

2）改变励磁磁通；

3）改变电枢回路总电阻。

改变电枢回路总电阻调速，可以通过在电枢回路中串接电阻来实现。

如公式1-2。

（1-2）

式中

是外接电阻。

由此可见，当负载一定时，外接电阻

的增大，会导致电枢回路总电阻R的增大，从而使n减少。

其机械特性如图1-2，M为转矩。

图1-2改变电枢回路总电阻调速时的机械特性

Fig.1-2Themechanicalcharacteristicofspeedcontrolbychangingthetotalresistanceofarmaturecircuit

这种调速方法是有级调速的，调速不平滑，而且串接了电阻增大了电路的功耗，所以这种方法一般不使用。

改变电枢的供电电压调速，就是改变电枢两端的电压

，使速度n也改变。

现在随着电力电子技术的发展，可以方便的改变电压的输出值，从而可以方便的改变电机的转速。

其机械特性如图1-3，M为转矩。

图1-3改变电枢供电电压调速的机械特性

Fig.1-3Themechanicalcharacteristicofspeedcontrolbychangingthesupplyvoltageofarmaturecircuit

这种调速方法可以实现无级调速，并且它是通过减少输入功率来减少输出功率从而降低转速的，因此低速运行时也不会增加功耗，在整个调速范围内都很经济。

改变励磁磁通调速，可以通过在励磁电路中串接一个可调电阻，从而改变励磁电流和磁通来实现。

其机械特性如图1-4，M为转矩。

图1-4改变励磁磁通调速的机械特性

Fig.1-4Themechanicalcharacteristicofspeedcontrolbychangingtheexcitationflux

这种调速方法，由于调节在小电流的励磁回路进行，所以损耗比较小，并且平滑性好能实现无级调速。

但是，因为在一般的电机的磁路在

时已经工作在饱和作态，所以这方法只适用于基频以上调速。

1.2直流电机PWM控制原理

PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或控制电压脉冲的宽度和周期以达到变压变频目的的一种控制技术。

下面简述一下PWM调速系统的工作原理。

图1-5给出PWM调速系统的工作原理电路及其输出波形。

（a）（b）

图1-5PWM调速系统的工作原理电路及其输出波形

Fig.1-5TheprinciplecircuitofPWMspeedregulatingsystemandoutputwaveform

假设V1先导通T1秒，然后又关断T2秒，如此反复进行，可得到图1-5（b）的波形图。

可以得到电机电枢端的平均电压

如公式1-3。

（1-3）

设

，

可定义为占空比。

设定输入电压

不变，

越大，电机电枢端的平均电压

越大，反之也成立。

固改变

值就可以达到调压的目的。

改变

有三种方法：

第一种就是T1保持不变，使T2在0到

之间变化，这叫定宽调频法；第二种就是T2不变，使T1在0到

之间变化，这叫调宽调频法；第三种就是T保持一定，使T1在0到T间变化，这叫定频调宽法。

本设计采用的是定宽调频法。

1.3霍尔效应及其原理

因为本设计的测速部分用到了霍尔元件作为测速传感器，所以有必要简单述说一下霍尔效应及其工作原理。

如图1-6所示的金属或半导体薄片两端面通以控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势UH（称为霍尔电势）。

这种现象称为霍尔效应。

它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。

图1-6霍尔效应原理图

Fig.1-6Halleffectschematicdiagram

霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。

霍尔电势

可以用公式1-4表示。

（1-4）

式中：

——材料的霍尔常数（

）；

　　　I——控制电流（A）；

B——磁感应强度（T）；

D——霍尔元件的厚度（m）；

令

则得到：

由上式可知，霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。

KH称为霍尔元件的灵敏度，它与元件材料的性质、几何尺寸有关。

2方案比较及选择

本章将在前一章对基本理论进行介绍的基础上，对控制方案和器件选择进行进一步的选择与比较，在实现设计所要求功能的基础上对电路中应用的器件进行全方位的比较，从而选择更为合理的器件进行设计。

其中包括对可以产生PWM方波的单片机进行选择、对外围的输入和显示电路进行设计，以及驱动电路器件的选择。

在满足要求的基础上最大限度的节省材料，降低成本。

2.1控制方案的选择

PWM调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好；同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。

比可控硅整流调速系统先进。

直流电机的PWM制可以采用多种方式实现，总体可以分成硬件实现和软件实现两类。

随着集成芯片工艺和功能水平的不对提高，现在已经出现了多种可准确发生PWM波形控制直流电机调速的芯片，如SG3525、TL494等，这些芯片简单易用适合于单独的系统使用。

现在电动机调速系统实现数字化控制,是电气传动发展的主要方向之一，实现数字化后，整个调速系统结构简单,可靠性高,操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平,静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。

由于单片机性能优越,具有较佳的性能价格比,所以单片机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。

因此，本设计选用单片机作为控制核心。

在许多单片机的测控系统中，需要PWM功能实现直流电机的调速控制。

对此出路只有两条：

要么就选用具有PWM功能的单片机，要么就是采用软件模拟的方法实现PWM输出。

对于前者来说，虽然现在已经出现了不少具有PWM功能的新型单片机，但是它们的价格一般都比较高，并且它们开发器的价格目前也比较高。

还有就是，目前我国应用最多的一种单片机系列是美国Intel公司的8位高档单片机MCS—51系列，这个系列里机型多种，性能特点不错，加上我们学习的单片机课程是该类型的单片机，应用相对顺手。

因而，本设计还是选用51系列单片机采用软件模拟的方法实现PWM输出。

因为MCS—51系列单片机型号比较多，为了进行合理的选择，下面对几种常用型号进行比较。

2.1.18031、8051、8751的比较

8031/8051/8751是Intel公司早期的产品，它们的指令系统与芯片引脚完全兼容，同有8位的CPU，128个字节的片内数据存储器，21个字节专用寄存器，4个8位并行I/O口，1个全双工串行I/O口，两个16位定时/计数器，5个中断源。

不同的是：

8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。

用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。

写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。

8051片内有4kROM，无须外接外存储器和373，更能体现“单片”的简练。

但是用户编的程序用户无法烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代用户烧写，并是一次性的，今后用户和芯片厂都不能改写其内容。

8751与8051基本一样，但8751片内有4k的EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写。

图2-18051引脚图

Fig.2-1Thepinfigureof8051

2.1.2AT89C51、AT89S51的比较

AT89C51是ATMEL公司推出的一种带4K字节闪速可编程可擦除只读存储器（FLASHROM）的低电压、高性能CMOS8位微控制器。

器件使用ATMEL公司高密度、非易失性技术生产，与标准的MSC-51指令系统和8051引脚兼容。

由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。

与8051相比其最大的特点是：

4KB可编程Flash存储器，可进行1000次擦写；全静态时钟0-24MHz；三级程序加密；低功耗支持Idle（空闲）工作模式和Power-Down（断电）工作模式。

AT89S51是2003年ATMEL推出的新型品种，除了完全兼容8051外，还多了ISP编程和看门狗功能。

2.2键盘的选择

键盘是计算机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带，借助键盘可以向计算机系统输入程序、置数、送操作命令、控制程序的执行走向等。

在本设计中，使用者可通过键盘对电机进行启动和制动、正转和反转、加速和减速控制。

2.2.1独立式键盘

独立式按键是指直接用I/O接口线构成的单个按键电路。

每个独立式按键单独占有一根I/O接口线，每根I/O接口线的工作状态不会影响其它I/O接口线的工作状态。

独立键盘如图2.3所示。

独立式按键电路配置灵活、软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费较大，故只在按键数量不多时采用这种按键电路。

此电路中，按键输入都采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线上有确定的高电平。

当I/O口内部有上拉电阻时，外电路可以不配置上拉电阻[3]。

图2-2独立式键盘电路

Fig.2-2Independent-Keyboardcircuit

2.2.2矩阵式键盘

将I/O接口线的一部分作为行线，另一部分作为列线，按键设置在行线和列线的交叉点上，这就构成了行列式键盘。

行列式键盘中按键的数量可达行线数n乘以列线数m，如4行、4列行列式键盘的按键数可以达到4×4＝16个。

由此可以看到行列式键盘在按键较多时，可以节省I/O口线。

一个4×4行列式键盘的电路原理图如图2-4所示[3]。

8条I/O口线分为4条行线和4条列线，按键设置在行线和列线交点上，即按键开关的两端分别接在行线和列线上。

行线通过一个上拉电阻接到+5V电源上，在没有键按下时，行线处于高电平状态。

若向所有的列线I/O口输出低电平，然后将行线的电平状态读入累加器A中，若无键按下，行线仍保持高电平状态，若有键按下，行线至少应有一条为低电平。

图2-3矩阵式键盘电路

Fig.2-3Matrix-Keyboardcircuit

若确定有键按下后，即可进行求键码的过程。

其方法是：

依次从一条列线上输出低电平，然后检查各行线的状态，若全为高电平，说明闭合键不在该列，若不全为1，则说明闭合键在该列，且在变为低电平的行的交点的行的交点上。

若在键盘处理程序中，给每个键都赋予一个键号，由从列线I/O口输出的数据和从行线I/O口读入的数据即可求出闭合键的键号，完成对键盘的扫描工作。

本设计中只用到了4个按键，用独立式键盘和矩阵式键盘都要用到4个I/O口，但是应用独立式键盘结构简单且不造成按键的浪费，故采用独立式键盘。

2.3显示方式的选择

LED显示器是单片机应用系统中最常用的输出器件。

它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。

控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。

常用的LED显示器有7段和“米”字段之分。

在次显示转速数值用7段显示管即可。

这种显示器有共阳极和共阴极两种。

共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。

当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。

同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。

本设计选用了四位共阳极接法。

图2-4LED的共阳、共阴极接法

Fig.2-4Theinarchmethodofanodeorcathodeincommon

LED数码管显示器有二种工作方式，即动态显示方式和静态显示方式。

在动态显示方式中，各位数码管的各个端并连在一起，与单片机系统的一个I/O口相连，从该I/O口输出显示代码。

每只数码管的共阳极或共阴极则与另一I/O口相连，控制被点亮的位。

动态显示的特点是：

每一时刻只能有1位数码管被点亮，各位依次轮流放点亮；对于每一位来说，每隔一段时间点亮一次。

为了每位数码管能够充分被点亮，二极管应持续发光一段时间。

利用发光二极管的余辉和人眼的驻留效应，通过适当地调整每位数码管被点亮的时间间隔（一般为1mS），可以观察到稳定的显示输出。

在静态显示方式下，每位数码管的各个端与一个8位的I/O口相连。

要在某一位数码管上显示字符时，只要从对应的I/O口输出并锁存其显示代码即可。

其特点为：

各数码管同时点亮，数码管中的发光二极管恒定地导通或截止，直到显示字符改变为止。

相比而言，动态显示方式更节省硬件资源和I/O口，一般系统都会选择该种显示方式。

故经综合考虑，决定选用LED数码管动态显示方式。

2.4电动机驱动芯片的选择

根据任务书的要求，本设计的核心部分就是对小型直流电动机进行可逆的PWM调速控制。

要实现以上的功能，应用比较广泛的是由四个开关管构成的H型桥式驱动电路。

这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。

其基本原理如图2-5所示。

我们可以根据需要对四个开关管进行控制，使其能实现可逆调速的功能。

使全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，V1、V4为一组，V2、V3为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。

当V1、V4导通时，V2、V3关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当V2、V3导通时，V1、V4关断电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。

图2-5H桥型PWM降压斩波器原理图

Fig.2-5TheschematicdiagramofH-bridgePWMantihypertensivechopper

上述的这种方法叫双极性PWM控制方式，应用时要注意避免上下臂桥的同时导通，因为上下臂桥的同时导通会引起短路。

应用H型桥式驱动电路可以很好的实现设计任务所要求的功能。

但是为了简化电路，在设计中使用集成有桥式电路的电机专用芯片。

LMD18200和L298都是比较常用，性能比较稳定可靠的集成有桥式电路的电机专用芯片。

LMD18200是美国国家半导体公司推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件，同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件。

此种芯片瞬间驱动电流可达6A，正常工作电流可达3A，具有很强的驱动能力，无“shot-through”电流，而且此种芯片内部还具有过流保护的测量电路，只需要在LMD18200的8脚输出端测出的电压和给定的电压比较即可保护电路过流，从而实现电路的过流保护功能。

LMD18200提供双极性驱动方式和单极性驱动方式选择.LMD18200组成的电机驱动电路（单极性）如图2-6所示。

图2-6LMD18200组成的电机驱动电路

Fig.2-6ThemotordrivecircuitofLMD18200

L298是ST公司生产的内部集成有两个桥式电路的电机驱动专用芯片，它驱动的电压可达到46V，单个桥直流电流可达到2A。

具有两个使能控制端口，分别控制两个电机的启动和制动。

它可以外接电阻，把变化量反馈给控制电路。

此外，L298的两个桥式电路还可以并联起来驱动一个直流电动机，直流电流可达到4A。

对于本设计来说，上述两块芯片都可用。

不过在应用领域，L298使用比较广泛，所以本设计选用L298作为电机的驱动芯片。

2.5系统设计方案

经过上述对调速系统各部分的讨论选择后，系统的设计方案可以初步确定。

本设计是基于AT89S51单片机的直流电机PWM调速系统，其基本原理为：

由单片机AT89S51接受键盘的信号并通过计算占空比产生出对应的PWM信号输出和控制信号输出，其中一路信号控制L298的使能和方向，一路PWM波形送L298控制直流电机的速度。

在直流电机中安装霍尔开关传感器，把速度信号传送到AT89S51，AT89S51进行定时计数，计算出直流电机每秒钟的转速，并送LED显示。

整个系统的电源由外接双路稳压电源（+5V、+12V）提供。

其结构简图如图2-7所示。

图2-7调速系统结构简图

Fig.2-7Structurediagramofspeedcontrolsystem

3应用器件介绍

本章将在前一章对元件进行选择的基础上，对所应用的部分器件的组成和工作原理进行系统的介绍。

主要包括主要功能元件AT89S51单片机和速度反馈回路中的霍尔元件CS3020以及驱动电路中的主要元件L298芯片。

3.1AT89S51的介绍

3.1.1AT89S51单片机的特性

Atmel公司的AT89S51芯片具有以下特性：

1）指令集和芯片引脚与Intel公司的8051兼容；

2）4KB片内在系统可编程Flash程序存储器；

3）时钟频率为0～33MHz；

4）128字节片内随机读写存储器（RAM）；

5）32个可编程输入/输出引脚；

6）2个16位定时/计数器；

7）6个中断源，2级优先级；

8）全双工串行通信接口；

9）监视定时器；

10）2个数据指针。

3.1.2AT89S51单片机的封装

AT89S51单片机具有多种封装形式，包括PDIP40、PDIP42、PLCC44和TQFP44。

最适合学校实验室使用的是PDIP40封装形式，它的外形如图3-1所示。

PDIP40封装形式的单片机芯片可以很方便地使用面包板来组成应用电路。

3.1.3AT89S51单片机的存储器

AT89S51单片机的程序存储空间和数据存储空间是分离的，每种存储空间的寻址范围都是64KB。

上述存储空间在物理上可以被映射到4个区域：

片内程序存储器和片外程序存储器，片内数据存储器和片外数据存储器。

存储空间的映射图如图3-2所示。

当存储空间映射为外部存储器时，包括程序空间和数据空间，AT89S51单片机的P0口的8个引脚，从P0.0（AD0）到P0.7（AD7）（引脚从39到32），以时分方式被用作数据总线和地址总线的低8位；P2口的8个引脚，从P2.0（A8）到P2.7（A15）（引脚从21到28），被用作地址总线的高8位。

图3-1AT89S51单片机PDIP40封装外形图

Fig.3-1outlinedrawingofAT89S51withPDIP40encapsulation

由于对外部程序存储器和外部数据存储器的访问都是通过P0口和P2口实现，为了区分它们，外部程序存储器由引脚

（引脚29）的输出信号控制；外部数据存储器的写或读操作分别由引脚P3.6（

，引脚16）和引脚P3.7（

，引脚17）输出信号控制。

3.1.4程序存储空间

程序存储空间可以被映射为内部程序存储器或者外部程序存储器。

AT89S51单片机内部具有的4KB程序存储器被映射到程序存储空间的0000H～0FFFH区间，如图3-2所示。

这部分程序存储空间也可以被映射为外部程序存储器，它具体被映射为哪一种程序存储器取决于引脚

（引脚31）所接的电平。

当引脚

为高电平，内部程序存储器被映射到这部分程序存储空间；当引脚

为低电平，外部程序存储器被映射到这部分程序存储空间。

高于0FFFH的程序存储空间只能被映射为外部程序存储器。

目前Atmel公司生产的8051兼容