基于单片机的直流电动机控制系统研究

王瑾

陕西工业职业技术学院信息工程学院，陕西 咸阳 712000

基于单片机的直流电动机控制系统研究

王瑾

陕西工业职业技术学院信息工程学院，陕西 咸阳 712000

为了提高直流电动机的控制精度和生产效率，本文提出了以MCS-51单片机为核心的，以PWM脉宽调制法为理论基础的直流电动机控制系统设计方案，实现了直流电动机的方向及速度控制。系统所采取的PWM脉宽调制法及相应的硬件设计措施具有一定通用性，也可用于其他直流电机控制系统中。关键词MCS-51单片机；直流电动机；PWM脉宽调制法中图分类号:TP273 文献标识码: A

1 引言

在工业生产中，直流电动机作为主要的执行机构之一，而被广泛应用于各种生产机械中。目前，为了适应高精度、高效率的生产需求，对直流电机的控制系统也提出了更高的要求。

随着计算机技术的发展以及现代控制理论的应用；用微型计算机取代传统的分立元件，通过软件编程来实现复杂的控制算法，对电动机的控制也产生了重大影响，使得现代电机控制变得既简单又经济。本文主要以MCS-51单片机为核心，采用PWM脉宽调制法来实现直流电动机的方向及速度控制[1]。

2 系统结构

基于PWM脉宽调制法的直流电机控制系统结构框图如图1所示。整个系统主要由转速给定、脉冲宽度发生器、驱动器、电子开关以及直流电动机等几部分组成。

转速给定部分是操作人员用来实现系统给定转速的输入部分。脉冲宽度发生器的核心部件为微型计算机，它通过输入的给定转速，经计算求出占空比α，并产生相应的脉冲序列输出给驱动器。驱动器用来放大微机输出的脉冲宽度调制信号，通常由放大器、继电器或TTL集成电路构成。电子开关用来接通或关断电动机电枢两端的供电电源。直流电动机为执行机构，用来带动被控对象。

图1 系统结构框图

3 直流电动机的速度控制

3.1 调速原理

已知直流电动机的转速公式为[2]：

式中，n为电动机转速；Ud为电枢电压；Id为电枢电流；R为电枢回路总电阻；Ce为电动机时间常数；Ф为每极磁通量。

由转速公式(1)可知，直流电动机的调速控制可采用以下两种方法:(1)调节励磁磁通的励磁控制方法；(2)调节电枢电压的电枢控制方法。

由于励磁控制方法在低速时受磁极饱和的限制；且励磁线圈电感较大，动态响应速度较慢，故此法用得较少，而在大多数应用场合都使用电枢控制方法。

电枢控制方法就是指当励磁电压和负载转矩恒定时，通过调节电枢电压来控制直流电动机的转速,通过改变电枢电压的极性来控制电动机的转向,从而实现直流电机的方向及速度控制。而在微型计算机控制系统中,目前通常采用PWM脉宽调制法来实现直流电动机的电枢电压控制。

3.2 PWM脉宽调制法

PWM脉宽调制法,就是通过改变电机电枢电压的接通时间与通电周期的比值来控制电机速度,其控制原理如图2所示[3]。

图2 PWM脉宽调制法原理图

为分析其控制原理，首先给MOSFET管V1的栅极输入如图3所示PWM波，此PWM波控制周期为T，高电平持续时间为t1秒，低电平持续时间为t2秒。

图3输入输出电压波形

图2 中,当开关管V1的栅极输入高电平时,开关管导通,直流电动机电枢两端的电压为Us；经过t1秒后,开关管V1的栅极输入电压变成低电平,开关管截止,电动机电枢两端的电压变成0伏；又经过t2秒后,V1的栅极输入电压又重新变成高电平,开关管和电动机电枢两端的电压又重复前面的过程。这时，电枢电压U的波形如图3所示。

由图3可知，电枢电压的平均值U0的大小为：

式中，α为占空比，α＝t1/T；占空比表示在一个控制周期T里，开关管导通的时间与周期的比值，其变化范围为0≤α≤1。由式(2)可知,当电源电压Us不变时，电动机电枢电压的平均值U0取决于占空比α的大小，改变α值就可以改变电枢电压的平均值，从而实现调速。

4 直流电动机的方向控制

直流电动机的PWM调速系统可分为不可逆系统和可逆系统两种。所谓不可逆系统是指直流电动机只能单向旋转；可逆系统是指直流电动机既可以正向旋转，又可以反向旋转[4]。

而对于可逆系统来说，又可分为单极性驱动和双极性驱动两种方式。由于双极性驱动电路工作时，四个开关管都处于开关状态，功耗较大；且每个开关管都存在开关延时现象，容易导致同一桥臂上的两个开关管出现直通现象；所以，在对直流电动机进行方向控制时，通常采用单极性驱动可逆系统，其具体电路如图4所示。

图中，PWM1为PWM脉冲输入控制端，Turn1为电机旋转方向控制端。该电路工作过程如下：当Turn1=0时，VT1、VT4截止，VT3受PWM控制信号控制，VT2为常开，此时直流电动机反转；当Turn1=1时，VT2、VT3截止，VT1受PWM控制信号控制，VT4为常开，此时直流电机正转。

图4 单极性驱动可逆系统电路

5 结束语

本文以MCS-51单片机为核心，采用PWM脉宽调制法实现了直流电动机的方向及速度控制。重点介绍了PWM脉宽调制法的原理及实现方法。系统所采取的PWM脉宽调制法及相应的硬件设计措施具有一定通用性，也可用于其他直流电机控制系统中。

[1]王洪庆.微型计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社.2008

[2]龙威林,等.单片机应用入门[M].北京：化学工业出版社.2008

[3]马江涛.单片机温度控制系统的设计及实现[J]. 计算机测量与控制.2004，12(12):1219-1221

[4]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

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.048

王瑾（1974-），女，陕西咸阳人，硕士研究生，副教授，陕西工业职业技术学院信息工程学院教师，研究方向为控制理论与控制工程。