基于单片机的直流电动机PWM调速系统
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基于单片机的直流电动机PWM 调速系统
宋 健
1,2
，姜军生2，赵文亮2，孙学岩2
（1.中国农业大学 工学院，北京 100083；2.潍坊学院 机电系，山东 潍坊 261041）
摘 要：随着计算机进入控制领域以及高开关频率、全控型第二代电力半导体器件的发展，脉宽调制（PWM ）的直流调速系统在调速控制中得到越来越普遍的使用。
为此，介绍了基于单片机的直流PWM 调速系统的工作原理，给出了系统的软、硬件组成。
运行试验表明，系统工作稳定可靠，满足直流电动机的调速要求。
关键词：自动控制技术；PWM 调速系统；理论研究；单片机
中图分类号：TP29;TM33 文献标识码：A 文章编号：1003─188X(2006)01─0102─02
1 直流PWM 调速系统的工作原理
PWM 调速装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内接通和断开时间的长短，通过改变直流伺服电动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。
因此，这种装置又称为开关驱动装置，PWM 控制的示意图，如图1所示。
图1 PWM 控制示意图
电动机两端得到的电压波形，如图2所示。
电压平均值av U 可用下式表示为
S S on
av U U T
t U α==
式中 on t —开关每次接通的时间； T —开关通断的时间周期；
α—占空比，o on /T t =α。
图2 PWM 控制波形图
由上式可见，改变开关接通时间on t 和开关周期
T 的比例亦即改变脉冲的占空比，电动机两端的电
压平均值也随之改变，因而电动机转速得到了控制。
改变占空比有两种调制方法：一种是开关周期恒定，通过改变导通脉冲宽度来改变占空比的方式，即脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation ，缩写为PWM ）；另一种方式为导通脉冲宽度恒定，通过改变开关频率)/1(T f =来改变占空比，亦即脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation ，缩写为PFM ）。
由于PFM 控制是依靠脉冲频率来改变占空比的，当遇到某个特殊的频率下的机械谐振时，常导致系统震动和出现啸叫声，这一严重的缺点导致PFM 控制
在伺服系统中不适用。
目前，在直流电动机的控制中，以PWM 控制方式为主。
2 直流电机PWM 调速系统的硬件组成
该直流电动机PWM 调速系统由上位机（PC 机）、单片机89C52、功率集成电路芯片L298和直流电动机组成，如图3所示。
在整个PWM 调速器中，PC 机作为主控制器，其上运行控制主程序，提供用户界面，并且根据系统提供的信息将电动机运行的指令（速度值）下达给单片机。
单片机作为底层控制器，运用一定的控制算法完成电动机的速度控制。
图3 PWM 调速器硬件组成图
本系统中选用与MCS-51系列完全兼容的
收稿日期：2005-03-06
作者简介：宋 健（1968-）,男，山东潍坊人，博士研究生，(E-mail)
sjian1234_1968@ 。
上位机
89C 52
P 1.0 P 1.1
P 1.2
Vcc Vs
M
R
EnB In3 In4
S
VD
Us
MOTOR
+
av U
o U s U 0
off T T
on t
AT89C52单片机，它是一种低功耗、高性能的CMOS8位微处理器。
片内具有8K 字节的在线可重复编程快擦快写程序存储器，128×8位内部RAM ，AT89C52构成了真正的单片机最小应用系统，可缩小系统体积，提高系统可靠性，降低系统成本。
3 专用功率集成电路L298简介
L298是双H 高电压大电流功率集成电路，直接采用TTL 逻辑电平控制，可用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等电感性负载。
其驱动电压可达46V ，直流电流总和可达4A 。
其内部具有2个完全相同的PWM 功率放大回路，其内部结构如图4所示。
图4 L298内部结构图
由L298构成的PWM 功率放大器的工作形式为单极可逆模式。
2个H 桥的下侧桥晶体管发射极连在一起，其输出脚(1和15)用来连接电流检测电阻。
第9脚接逻辑控制部分的电源常用+5V ，第4脚为电机驱动电源，本系统中为40V ；第5、7、10、12脚输入标准TTL 逻辑电平,用来控制H 桥的开和关,第6、11脚则为使能控制端。
当Vs =40V 时，最高输出电压可达35V ，连续电流可达2A 。
根据L298的输入输出关系，使能控制端EnA 接AT89C52的0.1P 口，当0.1P 口为高电平时，通过PWM 信号输入端In3和In4可以控制电动机的正反转（输入端In1为PWM 信号，输入端In2为低电平，电动机正转；输入端In2为PWM 信号，输入端In1为低电平，电动机反转）；当它为低电平时，驱动桥路上
的4个晶体管全部截止，使正在运行的电动机电枢电流反向，电动机自由停止。
电动机的转速由单片机调节PWM 信号的占空比来实现。
4 PWM 调速的软件实现
单片机PWM 脉冲信号的产生从程序设计上来讲，可以采用软件延时和计时器延时两种方法。
软件延时虽然理论上实现起来较容易，但占用系统资源过多，使用并不方便。
该PWM 调速器采用定时器0中断方式产生PWM 脉冲，PWM 控制子程序也就是定时器0的中断服务程序。
同时，它还要产生采样周期，即按照采样周期启动A/D 转换，其程序流程图如图5所示。
图5 程序流程图
5 结束语
基于L298的直流电动机PWM 调速系统，由AT89C52单片机的I/O 口输出PWM 信号，直接用TTL 电平控制驱动芯片L298，对电动机进行调速。
其具有电路简单，控制方便的特点。
运行实验表明，系统工作稳定可靠，满足了调速的功能要求，具有较大的理论及实用价值。
PWM Speed Regulator for DC Motor Based on Single Chip
SONG Jian 1,2, JIANG Jun-sheng 2, ZHAO Wen-liang 2, SUN Xue-yan 2
(1.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 2.Dept of machinery, Weifang University, Weifang 261061, China)
Abstract ：This paper introduces working principal of PWM speed regulator based on L298.The software and hardware of the system have been given. Experiments explain that the system worked stably and credibly, meet the demand of DC motor.
Key words ：auto-control technology; PWM speed regulator system; theoretical research; single chip
OUT1 OUT2 Vs OUT3
OUT4 14
13
4
3
2 4
3
2
1 5 7 6
9 V REF
V ss 12 10 11 15 8 1 SENSEA
SENEBB
IN4 IN3 ENB
ENA IN1 IN2。
