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。文章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。此外，本文中还采用了芯片IR2110作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块，并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。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
1 系统总体设计框图 (3)
2 系统硬件电路的设计 (3)
2.1 系统控制器8051简介 (4)
2.2 PWM发生电路设计 (7)
2.3 功率放大驱动电路设计 (7)
2.4 测速发电机 (10)
2.5 A/D转换 (11)
2.6 显示模块 (11)
3 系统软件程序的设计 (11)
3.1 PI转速调节器原理图及参数计算 (11)
3.2 系统中部分程序的设计 (12)
结论 (17)
参考文献 (18)
直流电机的PWM 调速
1 系统总体设计框图
图1-1 系统总体设计框图
2 系统硬件电路的设计
2.1 系统控制器8051简介
8051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：
图2-1 51单片机内部资源
8051单片机
PWM 信号的产生
IR2111驱动H 桥
速度采集与变送
速度显示
直流电机
2.2 PWM信号发生电路设计
2.2.1 PWM的基本原理
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”。
图2-2 占空比图示
设电机始终接通电源时，电机转速最大为V
max
，设占空比为D= t1 / T，则电
机的平均速度为V
a = V
max
* D，其中V
a
指的是电机的平均速度；V
max
是指电机在全
通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。
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V
d ，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度V
d
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。
2.2.2 PWM信号发生电路设计
图2-3 PWM发生电路
PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM 专用芯片来实现。当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。在本系统内，采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。
两片数值比较器4585，即图上U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2—Q9，而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。只要改变P1端口的输出值，那么就可以使得PWM信号的占空比发生变化，从而进行调速控制。
12位串行计数器4040的计数输入端CLK接到单片机C51晶振的振荡输出XTAL2。计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2—Q9加1，当计数值小于或者等于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端保持为低电平，而当计数值大于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端为高电平。随着计数值的增加，Q2—Q9由全“1”变为全“0”时，图中U2的（A>B）输出端又变为低电平，这样就在U2的（A>B）端得到了PWM的信号，它的占空比为（255 -X / 255）*100%，那么只要改变X的数值，就可以相应的改变PWM信号的占空比，从而进行直流电机的转速控制。
使用这个方法时，单片机只需要根据调整量输出X的值，而PWM信号由三片通用数字电路生成，这样可以使得软件大大简化，同时也有利于单片机系统的正常工作。由于单片机上电复位时P1端口输出全为“1”，使用数值比较器4585的B组与P1端口相连，升速时P0端口输出X按一定规律减少，而降速时按一定规律增大。
2.2.3 PWM发生电路主要芯片简单介绍
(1)芯片4585
对于A和B两组4位并行数值进行比较，来判断它们之间的大小是否相等。引脚图如下。
图2-4 4585引脚图
(2)芯片4040
芯片4040是一个12位的二进制串行计数器，所有计数器位为主从触发器，计数器在时钟下降沿进行计数。当CR为高电平时，它对计数器进行清零，由于在时钟输入端使用施密特触发器，故对脉冲上升和下降时间没有限制，所有的输入和输出均经过缓冲。
芯片4040提供了16引线多层陶瓷双列直插、熔封陶瓷双列直插、塑料双列直插以及陶瓷片状载体等4种封装形式。
1）芯片4040引出端功能符号：
CP: 时钟输入端 CR：清除端 Q
0—Q
11
：计数脉冲输出端
V DD : 正电源 V
SS
: 地端
2）芯片4040功能表：
输入 输出
CP CR ↑ ↓ *
L L H
保持 计数 所有输出端均为L
表2-1 4040功能表 3）芯片4040的引脚图：
图2-5 4040的引脚图
2.3 功率放大驱动电路设计
由AT89C52单片机产生的PWM 信号，经光耦隔离、放大后，送给集成驱动芯片IR2111，然后驱动由功率MOSFET 组成的H 桥，控制直流电机的转速和转向
2.3.1 IR2111的引脚图以及驱动电路
图2-6 IR2111引脚图
图2-7 IR2111驱动功率MOSFET电路
2.3.2 延时保护电路分析
利用IR2110芯片的完善设计可以实现延时保护电路。
IR2110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。
图2-8 IR2111 死区延迟特性
2.3.3 H桥工作原理
当开关Q1与Q4闭合时，负载电流从电源由A流向B，此时负载端A点相对于B点是正电位，电机两端承受正向电压。开关Q1与Q4由控制逻辑来同步工作，在开关Q1与Q4闭合期间，控制逻辑使另一对开关Q2与Q3处于断开状态。反之，当开关Q2与Q3闭合时，开关Q1与Q4断开，此时，负载电流从电源U由B流向
A，负载端B点相对于A点是正电位，电机两端承受反向电压。通过调节PWM信号的占空比就可改变电机电枢两端的平均电压，从而控制电机的转速或方向。当PWM信号占空比α>50%时，电枢两端电压平均值为正，电机正向转动；当α<50%时，电枢两端电压平均值为负，电机反向转动；当α=50%时，电机电枢电压平均值为0，电机停转，但此时电枢两端电压的瞬时值并不为0，而是幅值接近直流电源电压U的方波。
与功率开关并联的二极管为快恢复二极管，作为续流二极管使用。当Q1、Q4的PWM信号变为低电平后，功率管Q1、Q4关断而Q2、Q3饱和导通。电枢两端所加电压为-U，此时，电枢电流方向不能立刻改变，必须通过二极管VD2、VD3续流。同理，当Q2、Q3的PWM信号变为低电平后，电机通过二极管VD1、VD4续流。
图2-9 直流电机PWM控制中的H桥电路
2.3.4 输出电压波形
图2-10 输出电压波形
2.4 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，所以测速发电机又称速度传感器。测速发电机广泛应用于各种速度或者位置控制系统，在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或者通过反馈来提高系统稳定性和精度。
2.5 A/D转换
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。
2.6显示模块
本显示模块可以用小液晶显示器1602显示.，或是用数码管显示。各有优势，数码管廉价，但所用单片机管脚多，占用资源。1602内部有专门的控制芯片，但成本高一点。
3系统软件部分的设计
3.1PI 转速调节器原理图及参数计算
图3-1 测速部分电路
按照典型II型系统的参数选择方法, 转速调节器参数和电阻电容值关系如下: Kn = Rn/ R0 Γn = Rn/ Cn Ton = 1/4 R0 * Con
参数求法：电动机 P=10KW U=220V I=55A n=1000转/分电枢电阻R=0.5欧姆取滤波电路中Ro=40千欧 Rn=470千欧 Cn=0.2uF Con=1uF 则：
Umax=220V
Umin=（220/0.9）*0.5=122V
P=Kp=Rn/Ro=11.7
I=Kp*T/Ti=125
3.2系统中的部分程序设计
3.2.1 单片机资源分配
工作寄存器0组
R O -R
7
00H-07H
数据缓冲区 30H-7FH
PSW.4（RS
1=0） PSW.3(RS
=0) ；选中工作寄存器0组
P0口地址 80H
P1口地址 90H
P2口地址 A0H
P3口地址 B0H
堆栈（SP） 81H
定时器/计数器控制 TCON 88H
定时器/计数器方式控制 TMOD 89H
定时器/计数器0 低字节 TL0 8AH 高字节 TH0 8CH 定时器/计数器1 低字节 TL1 8BH 高字节 TH1 8DH 中断1——PI 采样（u i ）
中断0——A/D 采样 P1口预置 W
P0口测量值（实测Y ） 主程序：
0000 AJMP START START ：CLR PSW.4
CLR PSW.3 ；选中工作寄存器0组 CLR C MOV R 0 ，4FH MOV A ，30H CLEAR1：CLR A INC A
DJNZ R 0 ，CLEAR1 ；清零30-7FH
SETB TR 0 ；定时器/计数器0工作 MOV TMODE ，#01H ；定时器/计数器工作在方式1 SETB EA ；总中断开放
SETB IT0 ；置INTO 为降沿触发 SETB IT1 ；置INT1为降沿触发
LJMP MAIN LCALL SAMPLE
单片机时钟为12MHZ ，用一个定时器/计数器定时50ms ，用R 2作计数器，置初值14H ，到定时时间后产生中断，每执行一次中断服务程序，让计数器内容减1，当计数器内容减为0时，则到1s 。 PI 控制算法:
i i p i i p i i e T T K e e K U U *)/*()(11+-+=-- 令P=K P I=K P *T/T I
则i i i i i e I e e P U U *)(*11+-+=--
T ——采样周期 n n i C R T *= o
n p R R
K =
PI 程序：
SETB EX1 ；开放中断1
MOV R0，90H ；P1口（W ）送R0,预设 MOV R1，80H ；P0口（Y ）送R1，实测 MOV A ，R0 ；W 给A MOV B ，R1 ；Y 给B SUBB A ，B ；ei 给A MOV 7FH ，A ；ei 给7FH MOV 7EH ，#00H ；e i-1=0给7EH MOV 7BH ，Umax MOV 7AH, Umin
AJMP IN ；积分项 AJMP P ；比例项 MOV A ，R2 ；Pi 给A ADD A ，R3 ；Pi+Pp 给A MOV 7DH ，#00H ；U i-1=0给7DH ADD A ，7DH ；U i-1+Pi+Pp=Ui 给A MOV 7CH,A ；Ui 给7CH MOV 7DH ，7CH ；Ui 给U i-1 MOV A ，7BH ；Umax 给A CJNE A ，#Ui ，LOOP2 ；Ui 〉Umax 转移 MOV A ，#Ui
CJNE A ，7AH ，LOOP3 ；Ui CLR C SUBB A ，#Umax RETI LOOP3：MOV A，7CH ；Ui给A CLR C SUBB A，#Umin RETI IN：MOV 6FH，#I MOV A，6FH ；I给A MOV B，7FH ；ei给B MUL AB ；Pi=I*ei给A MOV R2，A ；Pi给R2 RETI P：MOV 6EH，#P CLR C MOV A，7FH ；ei给A SUBB A，7EH ；ei-e 给A i-1 MOV 7EH，7FH ；ei给e i-1 MOV B，6EH MUL AB ；（ei-ei-1）*P给A MOV R3，A ；Pp给R3 RETI 3.2.1程序流程图 主程序和PI子程序流程图如下所示。 开始 初始化 PWM 输出 速度采集 判断是否满意？ 结束 显示速度 调用PI 子程序 否 是 图2-2 主程序流程图 图3-3 PI 控制程序流程图 开始 返回 设取定值W ，实测值Yi 计算比例项 累加 计算积分项 计算偏差 Ui>Umax ? Ui PI 参数输出 Ui=Ui-Umax Ui=Ui-Umax 结论 本文所述的直流电机闭环调速系统是以低价位的单片微机8051为核心的，而通过单片机来实现电机调整又有多种途径，相对于其他用硬件或者硬件与软件相结合的方法实现对电机进行调整，采用PWM软件方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本，它能够充分发挥单片机的效能，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。而在软件方面，采用PLD算法来确定闭环控制的补偿量也是由数字电路组成的直流电机闭环调速系统所不能及的。在使用了少量的硬件后，单片机的压力大大减小，程序中有充足的时间进行闭环控制的测控和计算，使得软件的运行合理可靠。 参考文献 [1] 王离九，黄锦恩编著，晶体管脉冲直流调速系统，华中科技大学出版社出版 [2] 丁元杰主编，单片微机原理及应用，机械工业出版社 [3] 吴守箴，臧英杰编著，电气传动的脉宽调制控制技术，机械工业出版社 [4] 陈伯时主编,自动控制系统---电力拖动控制,中央广播电视大学出版社 [5]王苏.直流电机PWM调速研究及单片机控制实现[J].机电工程技术出版社
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