基于单片机的PWM直流电机调速系统设计

２０１３年第３期　Ｎｏ．３，２０１３　九江学院学报（自然科学版）　（总第１０２期）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｊｉｕｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ｎａｔｕｒａｌ　ｓｃｉｅｎｃｅｓ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　（Ｓｕｍ　Ｎｏ．１０２）　

基于Ｐｒｏｔｅｕｓ的单片机ＰＷＭ直流电机速度控制系统设计　

乔志杰　曾金明　

（１安徽电子信息职业技术学院；２解放军蚌埠汽车士官学校安徽蚌埠２３３０３０）　

摘要：本文介绍了ＡＴ８９Ｃ５１单片机作为核心控制芯片，利用按键控制直流电机的转　

动速度，用ＰＷＭ调速方式和直流电动机驱动芯片Ｌ２９８控制直流电机转速以及停止。文中　

给出了Ｐｒｏｔｅｕｓ硬件电路，通过软件编程对ＰＷＭ信号占空比进行调节，ＬＣＤ把转速显示出　

来，并运用Ｐｒｏｔｅｕｓ对速度控制系统进行了研究与仿真，仿真表明：这种设计方法的电路　

简单，非常实用。　

关键词：Ｐｒｏｔｅｕｓ，单片机，直流电机速度控制，ＰＷＭ　

中图分类号：ＴＰ　２７３文献标识码：Ａ文章编号：１６７４—９５４５（２０１３）０３—００４８一（０４）　

１引言　

直流电机具有良好的起、制动性能，并且适　

合大范围的平滑调速，因此在各类需要调速或快　

速正反向的机电控制系统中得到广泛运用。ＰＷＭ　

直流调速技术以其开关频率高、低速运行稳定、　

动态性能优越、效率高等优点，在电机调速中被　

普遍应用。ＰＷＭ控制技术易于在单片机控制中实　

现，从而为直流电机控制的数字化提供了机会。　

采用单片机构成直流电机速度控制系统，不仅可　

以降低控制系统成本，也是单片机应用的一个重　

要方面。　

Ｐｒｏｔｅｕｓ　是英国Ｌａｂｃｅｎｔｅｒ公司开发的电路分　

析、实物仿真系统，具有模拟和数字电路仿真、　单片机和它的外围电路组成的系统仿真　Ｊ、ＬＣＤ　

显示、虚拟仪器、示波器、逻辑分析仪系统仿真　等功能，可与Ｋｅｉｌ编程软件进行联调。基于Ｐｒｏ—　

ｔｅｕｓ软件的良好仿真特性，程序在Ｐｒｏｔｅｕｓ中成功　

完成仿真调试的同时，即可以说明所设计程序的　

一、总体设计概述

本设计基于8051单片机为主控芯片，霍尔元件为测速元件， L298N为直流伺服电机的驱动芯片，利用 PWM调速方式控制直流电机转动的速度，同时可通过矩阵键盘控制电机的启动、加速、减速、反转、制动等操作，并由LCD显示速度的变化值。

二、直流电机调速原理

根据直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和它励两种类型，其机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速，总满足下式：

式中U——电压；

Ra——励磁绕组本身的内阻；

——每极磁通（wb ）;

Ce——电势常数；

Ct——转矩常数。

由上式可知，直流电机的速度控制既可以采用电枢控制法也可以采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但是低速时受到磁场和磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。

电枢控制法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来控制电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中串连一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低，平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制法。如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制（PWM）调压等。调压调速法具有平滑度高、能耗低、精度高等优点，在工业生产中广泛使用，其中PWM应用更广泛。脉宽调速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的电压的“占空比”来改变平均电．

压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如果电机始终接通电源是，电机转速最大为Vmax，占空比为D=t1/t，则电机的平均转速：Vd=Vmax*D，可见只要改变占空比D，就可以调整电机的速度。平均转速Vd与占空比的函数曲线近似为直线。

----

- 51单片机控制直流电机PWM调速 实验目的 1．掌握脉宽调制 (PWM) 的方法。 2．用程序实现脉宽调制，并对直流电机进行调速控制。 实验设备 PC 机一台，单片机最小系统，驱动板、直流电机，连接导线等 实验原理 1．PWM (Pulse Width Modulation) 简称脉宽调制。即，通过改变输出脉冲 的占空比，实现对直流电机进行调压调速控制。 2．实验线路图： 单片机驱动电路L298直流电机+-A+A-IN1IN2ENAVccGND1VddGND2 实验内容： 1. 利用实验室提供的单片机应用系统及直流电机驱动电路板，编制控制程序，实现直流电机PWM调速控制。 实验思考题 本实验中是通过改变脉冲的占空比，周期T 不变的方法来改变电机转速的，还有什么办法能改变电机的转速，应该怎么实现？ ----

- 附件： L298简介： L298N 为SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号。 ----

- ---- - ---- -

用单片机控制直流电机 摘要

本设计以AT89C51单片机为核心,以4*4矩阵键盘做为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求.在设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。

一、 设计方案比较与分析:

1、电机调速控制模块：

方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高.

方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路.用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制;电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。

兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三.

2、PWM调速工作方式:

方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内,单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反,两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速.

方案二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平,另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。

由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。

3、PWM调脉宽方式：

调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。