直流电机PWM调速系统的设计及应用

2012-07-19徐启鹏张艳霞陈立申高安芹

山东电力高等专科学校学报 2012年1期

徐启鹏张艳霞陈立申高安芹

山东电力高等专科学校山东济南 250002

0 引言

早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，触发精度易受电网电压波动的影响。随着单片机技术的迅速发展，许多电动机的控制功能及算法可以采用软件技术来完成。这不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，而且使系统能达到了更高的性能，从而大大节约了人力资源，降低了系统成本，有效地提高了工作效率。

单片机的控制方式是由软件完成的，因此也就更能方便准确地实现对直流电机速度的调节。一种速度对应一个电压平均值，一个电压平均值对应一种占空比。因此当我们设置不同的转速时，可由单片机来调用一种占空比的程序，从而使单片机产生特定的PWM信号，然后此信号经过放大器与电动机相连，电动机的另一端接其额定电压。这样加在电动机两侧的平均电压便是其速度所对应的平均电压，那么转速也将是设定的转速。依靠单片机的简单运算便可快速得到想要的速度，这种方法简单又有足够的控制精度，因此在电气传动实时控制系统中受到重视和普遍应用。

1 单片机产生PWM的方法

1.1 脉宽调制的方法

脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。因此PWM技术广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

PWM调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。采用定频调宽方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件上实现比较方便。PWM软件实现有两种方式：（1）采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。（2）采用软件延时方式，这一方式在精度上不及第一种方式，特别是在引入中断后，将有一定的误差。但是不占用定时器资源。本篇所用为第一种方式。

1.2 PWM脉冲的实现

利用单片机AT89S52产生PWM信号，在软件中的设置要点主要包括：（1）设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期（2）在PWM控制寄存器中设置接通时间（3）设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚（4）启动定时器（5）使能PWM控制器程序如下：

if（timer0_tick＜ZKB）//当小于占空比时输出高电平，等于或高于占空比时输出低电平；通过调节ZKB的大小，从而实现占空比的调整

这样就将产生一个特定占空比的PWM脉冲。

PWM的一个优点是从AT89S52到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，才能对数字信号产生影响。这也是PWM用于通信的主要原因。

2 直流电机调速的实现

2.1 系统硬件的组成

系统硬件的组成如图1所示：

图1 系统硬件的组成图

由于单片机输出口有电压无电流，不能驱动直流电机，所以需要功率放大。功放电路可以用集成功放元件（如ULN2003）来实现。

为了能使电动机达到设定转速，先要把已知换作未知，逐一增加占空比，测转速为多少，当设定这种转速时，那么单片机就调用此占空比的程序，这样也就能快速达到想要的转速了。为了更精确一些，可加入反馈，实时监测实际速度与设定速度的差别，应用程序调整转速，使其更精确。

2.2 PWM的应用

运用单片机产生的PWM脉冲具有简单、精确、抗干扰性强的优点，因此广泛应用于直流电机调速系统。

如帆板控制系统中，要求风扇的风力大小可以调节，那么选用单片机产生PWM技术，改变直流电机电压的平均值，从而控制风力大小。连接如图2所示：

图2 单片机连接图

由于单片机输出口有电压无电流，不能驱动直流电机，所以用ULN2003驱动，采用+5V电源，但因为ULN2003中每一个达林顿的最大灌电流为500毫安，所以采用三个达林顿并联来驱动电机。单片机的输出口P3.7输出一定占空比的PWM脉冲，使得加在直流电机上的电压平均值发生变化，从而风力不同。每一种占空比对应着一种风力，也就对应着一种帆板角度。因此逐一增加占空比，读取帆板角度，当要求帆板达到某个角度时，那么AT89S52就直接调用相应占空比的程序即可。