基于单片机的直流电机PWM调速系统

刘笑飞，王 强，周晶晶

湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉 430068

0 引言

目前，直流电机凭借其速度的可控性，稳定的启动、制动，平滑而经济的调速等特点，而在工业生产、城市建筑、农田水利等多方面得到广泛应用[1]。直流电动机转速的控制主要采用3种方法，即改变电枢回路总电阻；改变电枢的供电电压；改变励磁磁通[2]。但是，通过调压的方式进行电机调速，会将一部分电压转化成热能，使得能源利用率降低，造成了能源浪费。并且传统调速方式还具有调节精度低，调速不稳定，可控性较差，装置繁杂等缺点。而利用脉宽调制的方式对电机调速，不仅实现了对电机速度的实时调节，而且还体现了节约能源，经济实用的特点。本文介绍了一种以单片机为核心的软件调速系统，在单片机的控制下由PWM发生电路产生调速脉冲，对电机实现多级调速。

1 电机PWM调速原理

脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。通过改变电机电枢两端的电压的占空比，来周期性的改变电压接通和断开的时间比，使得电压的平均值发生改变，从而实现对电机的调速。相比电压调速的方法，PWM调速具有精度高，易于控制等优点。另外，它的调速方式为脉宽调制所以不会有太多的能源浪费，可以保证系统较长时间的工作，这对于移动设备而言是巨大的优势。

设一个电压变化周期为T（为定值），一个周期内高电平时间t0 ，低电平时间t1 ，则占空比为：

由此可得平均电压为：

图1 系统结构图

2 PWM调速硬件设计

直流电机驱动电路中，采用BTS7960B驱动芯片，两个半桥功率驱动芯片BTS7960B组合成一个H桥驱动电路，驱动电流较大，可达43A，驱动电压范围5.5V～25V。直流电机驱动电路。

BTS7960B是一个集成的大电流半桥电机驱动芯片。该芯片的集成度较高，功能全面，运行稳定，刚干扰能力强，优于L298等其他驱动芯片。芯片中应用P沟道MOS场效应管，可以最大限度地减少电磁干扰。芯片的驱动集成电路通过功能逻辑电平输入，电流检测与诊断，控制死区时间生成，用来有效防止过热、过压、欠压、过流和短路。直流电机驱动电路中，应用两片BTS7960B构成H桥结构，可很好的实现电机的PWM调速。

3 PWM调速软件设计

利用单片机所带有的定时计数器，由指定的I/O口输出占空比不同的方波。方波信号输入驱动芯片的两端，通过周期性改变占空比的大小，来改变电机两端电压的平均值，由此实现对电机速度的控制。

PWM电机调速的波形，每个方波周期为210.0ms，固定不变。但每个周期内高电平的所占时间却发生了周期性变化，即占空比发生了改变，使得电压发生改变[3]。产生PWM波形的程序如下。

图2 PWM电机调速波形

由以上程序可知，通过不断改变占空比，改变了电压的平均值，产生所需要的调速方波。PWM电机调速波形如图2所示。

4 结论

本系统以单片机为核心，运用软件技术，通过PWM脉宽调制实现对直流电机的多级调速，有效减小了电机启动和制动时对系统的冲击。该系统造价低廉、结构简单、设置灵活，适合用于直流电机的调速。经软硬件结合调试，系统运行正常，达到预期目标。

[1]汪玉成.直流电机PWM调速系统设计[J].商场现代化，2007.

[2]李彩云，胡洪波.PWM技术在直流电机调速中的应用[J].南昌高专学报，2008.

[3]张家定，林幅严，崔宏月.基于MCS-51单片机的直流小电机PWM调速设计[J].中国科技论文在线，2007.