基于ATmega8的直流电机PWM调速控制系统设计与实现
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PWM将占空比（电机电枢电压接通时间与通电 周期的比值）不同的脉冲变成不同的电压来驱动直流 电机转动，通过改变占空比，得到不同的转速，实现 电机启动、停止、和反转等功能。
单片机通过比较预设速度与实测速度的偏差，经 PID 算法得出控制量,根据控制量改变PWM 信号的输 出脉宽,经驱动电路功率放大后实现对电机速度的控 制，然后循环进入下一个控制周期。 3.驱动电路原理
Hale Waihona Puke 2.数字PID控制器[1]
在控制系统中,将输出量与给定量之间的偏差的
比例P、积分I、微分D通过线性组合构成控制量的PID
控制器获得了广泛的应用,它参数整定方便，结构更
改灵活。
PID表达式：
图5:位置式数字PID控制算法简化示意图
采用全量算法，通过差分代微分，可将表达式化 简为：
其中：
；
；
u(k)——第K个采样时刻的控制量；KP——比例
P W M 接 A T m e g a 8 的 O C R 1 A 脚 P W M 信 号 输 出 ， 时间，据此即可计算出电机的转速。利用PID算法，
IN1、IN2接电机正反转控制信号；PWM、IN1和IN2具 将实时采集的电机转速值与设定值进行比较，得出偏
体逻辑功能见表1：
差，利用软件编程实现转速调节。
一、引言
直流电机因具有良好的线性调速特性、效率高、 控制简单、调速性能好及体积小等优点得到了广泛使 用。常规电机调速控制方法中，电机工作不稳定,损 耗较大,尤其在低电压轻负荷时情况更为严重，且工 作频率受电源频率的限制, 难以满足高精度的调速要 求，不利于广泛推广[1]。
如何才能使电路具有成本低、控制精度高、调试 修改参数方便，且能方便和灵活地适用于大功率、可 靠性高的直流电机控制系统中,是我们研究的目的。
直流电机常要求工作在正反转的场合中，就需要 合用可逆PWM系统，可逆PWM系统可分为双极性驱 动可逆PWM系统和单极性驱动可逆PWM系统。双极 性可逆系统在低速时运行平稳，但电流波动大，功率 损耗较大，尤其是必须增加死区来避免开关管直通的 危险，限制了开关频率的提高；单极性驱动方式能够 避免开关管直通，可以大大提高系统的可靠性，尽管 轻载时会出现断流，但可以通过提高开关频率的方法 或改进电路设计来克服。
参考文献: [1] 王晓明.电动机的单片机控制(M).北京:北京航空
航天大学出版社,2002 [2] 郑宪伟,赵玉林,陈广大.基于AVR单片机的直流电
动机PWM 闭环调速系统的设计(J).煤矿机械,2008 [3] 玄子玉,曹海波.基于单片机的直流电动机闭环调
速系统的设计(J).煤炭技术,2008,27 (11):24-26 [4] 曾喜良,赵欢.基于C8051F020的PWM调速控制(J).
SET_IN4;
OCR1A = 0;
TIMSK &= ~_BV(TOIE0);
}
}
电机正转，speed为速度（0-255可调），choose
为电机通道选择（R为右、L为左）：
void for_ward(uchar speed,char choose)
{ if(ch =='R')
{
OCR1B = speed; /
本系统采用位置式数字PID算法，其控制算法简
四、控制系统程序
化示意图如图5：
设计
控制程序采用C语
言模块化结构。主要
包括主程序、PID控制
程序、中断服务程序
和电机正反转控制程
序等部分。
1.主程序流程图
主程序主要完成
相关中断初始化、调用
显示、判断中断类型和
执行相应中断服务程序
等功能，其结构如图4
所示:
图4:主程序流程图
直流电机转速表达式为：
式中：U—电枢端电压；I—电枢电流；R—电枢 电路总阻； —每极磁通量；K—电机结构参数。
对直流电机的转速控制方法可分为对励磁磁通进 行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控 制方法。目前绝大多数直流电机采用开关驱动方式，
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CompoTech China / 2009. 03
放大系数；kI——积分放大系数；kD——微分放大系
统；TS——采样周期；u0——控制量的基值，即k=0时
的控制。
PID算法流程图如图6所示：
其中：u(t)——控制量；KP——比例放大系数； TI——积分时间；TD——微分时间。
本系统采用转子位置传感器，利用传感器输出 的脉冲信号来反映电机的转速。将传感器输出的信号
邓知辉（1981-）,男,湖南永州人,助教 ,研究 方向:单片机系统开发及应用、EDA技术应用（E-mail: 55053820@）。
SET_IN2;
CLR_IN3;
SET_IN4;
}
定时器0中断服务函数，用于控制PWM1A的
时间：
SIGNAL(SIG_OVERFLOW0)
{ if(Timer0_Tick < PWM1A_counter)
{
Timer0_Tick++;}
else{printf("ACK:");
SET_IN3;
该系统采用受限倍频单极性可逆PWM驱动控 制，如图3所示。它可以通过改变对开关管的控制方
本调速控制系统，主要由ATmega8单片机、驱动 电路、转速检测电路和通信接口电路等部分组成，如 图2所示。 1.ATmega8单片机简介[5]
ATmega8是增强的AVR RISC结构的CMOS微控制 器，具有高速度、低功耗、片内资源丰富、电源抗干 扰能力强等优点。ATmega8具有32个通用工作寄存器
TCCR1A = (1<<COM1A1)|(1<<COM1B1)|
(0<<COM1B0)| (1<<WGM10);
TCCR1B = (1<<CS11); //8分频,WGM1=1，8
位相位修正PWM模式,TOP=0X00FF, OC1A、OC1B为
PWM1、PWM2输出。
TCNT1 = 1;
CLR_IN1;
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CompoTech China / 2009. 03
图6:PID算法流程图
科技论文 Discourse
3、控制程序
以下是ATmega8单片机实现电机控制的部分
程序：
PWM控制器的初始化：
void timer1_init(void)
{ OCR1A = 0; //初始化为0，电机停止
OCR1B = 0; //初始化为0，电机停止
D 科技论文 iscourse
基于ATmega8的直流电机PWM 调速控制系统设计与实现
◆ 湖南信息职业技术学院信息工程系/ 邓知辉 李雪东 谭立新 张平华 何忠悦
摘 要: 传统的直流电机调速控制系统，电机工作不稳定，难以满足高精度、大功率场合的要求。介绍了 一种基于ATmega8的直流电机调速控制系统，采用PID算法的受限单极性可逆PWM系统来实现电机控制，其 电路简单、性能稳定、控制精度高、调试修改参数方便、可调范围宽、响应速度快和成本低，能非常方便和灵 活地应用于较大功率、可靠性要求较高的直流电机控制中。
/
PWM1B_EN;
SET_IN1;
CLR_IN2;
}
Else
{
OCR1A = speed; // PWM1A_EN;
SET_IN3;
CLR_IN4;
}
}
五、结语
利用ATmega8单片机产生的PWM 信号，加入 数字PID算法实现对电机速度的控制，提高了系统 的控制精度,保证了电机转速的稳定性；电机的启 动、停止、左右转和速度都由程序定义,调试时只 需修改PWM信号占空比即可实现速度控制，改变输 出口电平即可实现电机正反转，无须改变系统硬件 电路,即可实现各种控制，能有效缩短开发周期,提 高效率；结合了受限倍频单极性可逆PWM电机驱动 电路，增强了系统的驱动能力，提高了系统的可靠 性和性价比。电路设计简单，电机控制方便，有利 于广泛推广。
关键词: ATmega8; 电机控制; PID; PWM 中图分类号: TP202
Realization and Design of Regulating Speed System by PWM for DC Motor Based on ATmega8
Abstract: The traditional system of velocity modulation control makes DC Motor be unstable on work, satisfies the high-precision and high-power occasions with difficulty. This article describes a system for DC motor based on ATmega8 speed control, which uses the limited unipolarity reversible PWM system based on PID algorithm to realize the motor control. The circuit is simple, with stable performance, the control precision is high, the debugging revision parameter is convenient, the adjustable range is wide, the speed of response is quick and the cost is low. it could apply very conveniently and flexibly to the field of DC Motor for higher power and reliability. Keywords: ATmega8; Motor control; PID; PWM
单片机通过比较预设速度与实测速度的偏差，经 PID 算法得出控制量,根据控制量改变PWM 信号的输 出脉宽,经驱动电路功率放大后实现对电机速度的控 制，然后循环进入下一个控制周期。 3.驱动电路原理
Hale Waihona Puke 2.数字PID控制器[1]
在控制系统中,将输出量与给定量之间的偏差的
比例P、积分I、微分D通过线性组合构成控制量的PID
控制器获得了广泛的应用,它参数整定方便，结构更
改灵活。
PID表达式：
图5:位置式数字PID控制算法简化示意图
采用全量算法，通过差分代微分，可将表达式化 简为：
其中：
；
；
u(k)——第K个采样时刻的控制量；KP——比例
P W M 接 A T m e g a 8 的 O C R 1 A 脚 P W M 信 号 输 出 ， 时间，据此即可计算出电机的转速。利用PID算法，
IN1、IN2接电机正反转控制信号；PWM、IN1和IN2具 将实时采集的电机转速值与设定值进行比较，得出偏
体逻辑功能见表1：
差，利用软件编程实现转速调节。
一、引言
直流电机因具有良好的线性调速特性、效率高、 控制简单、调速性能好及体积小等优点得到了广泛使 用。常规电机调速控制方法中，电机工作不稳定,损 耗较大,尤其在低电压轻负荷时情况更为严重，且工 作频率受电源频率的限制, 难以满足高精度的调速要 求，不利于广泛推广[1]。
如何才能使电路具有成本低、控制精度高、调试 修改参数方便，且能方便和灵活地适用于大功率、可 靠性高的直流电机控制系统中,是我们研究的目的。
直流电机常要求工作在正反转的场合中，就需要 合用可逆PWM系统，可逆PWM系统可分为双极性驱 动可逆PWM系统和单极性驱动可逆PWM系统。双极 性可逆系统在低速时运行平稳，但电流波动大，功率 损耗较大，尤其是必须增加死区来避免开关管直通的 危险，限制了开关频率的提高；单极性驱动方式能够 避免开关管直通，可以大大提高系统的可靠性，尽管 轻载时会出现断流，但可以通过提高开关频率的方法 或改进电路设计来克服。
参考文献: [1] 王晓明.电动机的单片机控制(M).北京:北京航空
航天大学出版社,2002 [2] 郑宪伟,赵玉林,陈广大.基于AVR单片机的直流电
动机PWM 闭环调速系统的设计(J).煤矿机械,2008 [3] 玄子玉,曹海波.基于单片机的直流电动机闭环调
速系统的设计(J).煤炭技术,2008,27 (11):24-26 [4] 曾喜良,赵欢.基于C8051F020的PWM调速控制(J).
SET_IN4;
OCR1A = 0;
TIMSK &= ~_BV(TOIE0);
}
}
电机正转，speed为速度（0-255可调），choose
为电机通道选择（R为右、L为左）：
void for_ward(uchar speed,char choose)
{ if(ch =='R')
{
OCR1B = speed; /
本系统采用位置式数字PID算法，其控制算法简
四、控制系统程序
化示意图如图5：
设计
控制程序采用C语
言模块化结构。主要
包括主程序、PID控制
程序、中断服务程序
和电机正反转控制程
序等部分。
1.主程序流程图
主程序主要完成
相关中断初始化、调用
显示、判断中断类型和
执行相应中断服务程序
等功能，其结构如图4
所示:
图4:主程序流程图
直流电机转速表达式为：
式中：U—电枢端电压；I—电枢电流；R—电枢 电路总阻； —每极磁通量；K—电机结构参数。
对直流电机的转速控制方法可分为对励磁磁通进 行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控 制方法。目前绝大多数直流电机采用开关驱动方式，
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CompoTech China / 2009. 03
放大系数；kI——积分放大系数；kD——微分放大系
统；TS——采样周期；u0——控制量的基值，即k=0时
的控制。
PID算法流程图如图6所示：
其中：u(t)——控制量；KP——比例放大系数； TI——积分时间；TD——微分时间。
本系统采用转子位置传感器，利用传感器输出 的脉冲信号来反映电机的转速。将传感器输出的信号
邓知辉（1981-）,男,湖南永州人,助教 ,研究 方向:单片机系统开发及应用、EDA技术应用（E-mail: 55053820@）。
SET_IN2;
CLR_IN3;
SET_IN4;
}
定时器0中断服务函数，用于控制PWM1A的
时间：
SIGNAL(SIG_OVERFLOW0)
{ if(Timer0_Tick < PWM1A_counter)
{
Timer0_Tick++;}
else{printf("ACK:");
SET_IN3;
该系统采用受限倍频单极性可逆PWM驱动控 制，如图3所示。它可以通过改变对开关管的控制方
本调速控制系统，主要由ATmega8单片机、驱动 电路、转速检测电路和通信接口电路等部分组成，如 图2所示。 1.ATmega8单片机简介[5]
ATmega8是增强的AVR RISC结构的CMOS微控制 器，具有高速度、低功耗、片内资源丰富、电源抗干 扰能力强等优点。ATmega8具有32个通用工作寄存器
TCCR1A = (1<<COM1A1)|(1<<COM1B1)|
(0<<COM1B0)| (1<<WGM10);
TCCR1B = (1<<CS11); //8分频,WGM1=1，8
位相位修正PWM模式,TOP=0X00FF, OC1A、OC1B为
PWM1、PWM2输出。
TCNT1 = 1;
CLR_IN1;
96
CompoTech China / 2009. 03
图6:PID算法流程图
科技论文 Discourse
3、控制程序
以下是ATmega8单片机实现电机控制的部分
程序：
PWM控制器的初始化：
void timer1_init(void)
{ OCR1A = 0; //初始化为0，电机停止
OCR1B = 0; //初始化为0，电机停止
D 科技论文 iscourse
基于ATmega8的直流电机PWM 调速控制系统设计与实现
◆ 湖南信息职业技术学院信息工程系/ 邓知辉 李雪东 谭立新 张平华 何忠悦
摘 要: 传统的直流电机调速控制系统，电机工作不稳定，难以满足高精度、大功率场合的要求。介绍了 一种基于ATmega8的直流电机调速控制系统，采用PID算法的受限单极性可逆PWM系统来实现电机控制，其 电路简单、性能稳定、控制精度高、调试修改参数方便、可调范围宽、响应速度快和成本低，能非常方便和灵 活地应用于较大功率、可靠性要求较高的直流电机控制中。
/
PWM1B_EN;
SET_IN1;
CLR_IN2;
}
Else
{
OCR1A = speed; // PWM1A_EN;
SET_IN3;
CLR_IN4;
}
}
五、结语
利用ATmega8单片机产生的PWM 信号，加入 数字PID算法实现对电机速度的控制，提高了系统 的控制精度,保证了电机转速的稳定性；电机的启 动、停止、左右转和速度都由程序定义,调试时只 需修改PWM信号占空比即可实现速度控制，改变输 出口电平即可实现电机正反转，无须改变系统硬件 电路,即可实现各种控制，能有效缩短开发周期,提 高效率；结合了受限倍频单极性可逆PWM电机驱动 电路，增强了系统的驱动能力，提高了系统的可靠 性和性价比。电路设计简单，电机控制方便，有利 于广泛推广。
关键词: ATmega8; 电机控制; PID; PWM 中图分类号: TP202
Realization and Design of Regulating Speed System by PWM for DC Motor Based on ATmega8
Abstract: The traditional system of velocity modulation control makes DC Motor be unstable on work, satisfies the high-precision and high-power occasions with difficulty. This article describes a system for DC motor based on ATmega8 speed control, which uses the limited unipolarity reversible PWM system based on PID algorithm to realize the motor control. The circuit is simple, with stable performance, the control precision is high, the debugging revision parameter is convenient, the adjustable range is wide, the speed of response is quick and the cost is low. it could apply very conveniently and flexibly to the field of DC Motor for higher power and reliability. Keywords: ATmega8; Motor control; PID; PWM
