基于PWM和PID的直流电动机控制系统设计与制作

张 涛， 张晓宇， 王辉俊

(华北科技学院，河北 三河 065201)

0 引 言

现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备。在自动控制系统的教学过程中，直流电动机是常用的控制对象。

伴随着电子技术的高度发展，促使直流电动机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电动机调速技术进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。

相对于交流电动机而言，直流电动机的调速基本原理比较简单。只要改变直流电动机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，最常见的是采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)，调节直流电动机的电枢电压的占空比就可以控制直流电动机的平均电压，进而调节转速。

本文以单片机为控制器，以小型直流电机为控制对象，设计和制作利用脉冲宽度调制(PWM)原理和PID控制原理来实现直流电动机控制系统，实现电机的启动、制动、正转、反转、速度调节，并在LED数码管上实时显示给定转速及动态转速[1-2]。

1 设计目标

本系统是对小型直流电动机转速实现闭环控制，要实现的控制目标为：调速范围500～5 000 r/min，静差率s≤10%，超调量σ%≤20%，调节时间≤2 s。

本设计选择的小型直流电动机的参数为：额定电压12 V，空载转速15 000 r/min，减速后为100 r/min，空载电流20 mA。另外，小型直流电动机自带AB相光电编码器，16脉冲。小型直流电动机共6根接线，分别为：编码器VCC(+5 V)，GND，A，B，电枢2根线。

2 系统设计

基于PWM和PID的直流电动机控制系统的原理框图如图1所示。系统以单片机系统为依托，根据PWM调速的基本原理，通过改变直流电动机电枢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，实现对直流电动机的平滑调速。系统可以通过单片机键盘或者电位器来控制给定速度的大小[3-4]。

图1 直流电动机控制系统的原理框图

依据直流电动机控制系统的原理框图，设计的系统结构如图2所示。系统首先通过4*4键盘或者电位器给定转速；然后系统利用单片机产生PWM信号，通过驱动电路控制直流电动机；直流电动机通过光电编码器反馈转速信号供单片机采集动态转速，与反馈转速进行比较，进行PID运算，从而实现对电动机速度和转向的控制，达到直流电动机调速的目的。电流检测可以测量电枢绕组电流大小，防止过电流。2组4位LED数码管分别用于给定转速和动态转速[5-8]。

图2 直流电动机控制系统的结构框图

3 直流电动机驱动电路设计

PWM广泛应用于直流调速系统，它是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术[9-11]。

基于双极式控制可逆PWM变换器的直流电动机驱动电路如图3所示，其中VPC可接+12 V或+5 V直流电源，PWM接P1.6，MOT1、MOT2接电枢绕组。电阻R15串联在电枢绕组中，为电流取样电阻，通过采集其上的电压值可知道电枢电流的大小。

图3 直流电动机驱动电路

4 单片机系统设计

4.1 单片机

本设计选用AT89S52型号的单片机。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8 b微控制器，具有8 KB在系统可编程Flash 存储器。

单片机系统电路由AT89S52单片机和复位电路、时钟电路、电源电路、控制电路(地址锁存允许控制、程序储存允许控制、外部访问允许控制)等部分组成。

4.2 键盘电路设计

图4 键盘电路

4.3 显示电路设计

图5 显示电路

4.4 模数转换电路设计

模数转换电路主要是对电位器给定电压和电枢电流信号进行采集，根据电位器电压改变给定转速的大小。设计的模数转换电路如图6所示。由于要实现过流保护，所以需要采集电枢电流信号，当超过设定值时使电机停转。所采用的模数转换器为ADC0804，是一个单通道8位逐次比较式器件，而要采集的信号有两路，所以增加了一个多路选择开关CD4051，实现通道的选择。其中IN0接电枢电流，IN1接电位器输出电压。ADC0804片选端和CD4051地址端通过74LS373分别接AD11、AD12、AD13、AD14，通道0地址为0x00FF，通道1地址为0x10FF。

图6 模数转换电路

5 软件设计

主程序软件流程图如图7所示，主要完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化后，实现键盘处理、刷新显示等功能[12-16]。

6 仿真验证

根据前述的硬件电路设计方案和软件程序设计方案，设计直流电动机控制系统的Proteus仿真模型，仿真模型如图8所示。仿真结果表明，前述的硬件电路设计方案和软件程序设计方案具有可行性，可以进行实物制作。

图7 主程序软件流程图

图8 直流电动机控制系统的仿真模型

7 实物制作

在仿真模型验证的基础上，根据前述的硬件电路设计方案和软件程序设计方案，首先制作印刷电路板(PCB)，然后焊接各种元器件；其次，编制和调试软件程序，将软件程序下载到硬件电路；最后运行直流电动机控制系统，检验运行参数是否满足设计指标的要求。

8 结 语

设计的直流电动机控制系统在硬件上采用了基于PWM技术的H型桥式驱动电路，解决了直流电动机的效率问题，在软件上也采用较为合理的系统结构及算法，提高了单片机的使用效率，且更有效地实施了对直流电动机的速度控制。本文利用仿真软件验证设计内容的正确性和可行性，并通过制作实物证明了基于单片机的直流电动机控制系统的设计方案具有一定的实际应用价值。

[1] 张 涛,潘玉民.自动控制系统实验实践教程[M].北京:煤炭工业出版社,2010.

[2] 薛鹏骞,潘玉民,张 涛,等.煤矿安全检测技术与监控系统[M].北京:煤炭工业出版社,2010.

[3] 张 涛. “计算机控制系统”精品课程建设及对教学的促进作用[J]. 教育科学博览，2012(12)：33-36.

ZHANG Tao. “Computer control system” excellent courses construction and its promoting effect to the teaching [J]. Education Science Expo, 2012(12)：33-36.

[4] 张 涛，靳文涛，薛鹏骞. 自动化专业的应用型与创新型培养机制的研究[J]. 华北科技学院学报, 2012,9(4)：48-52.

ZHANG Tao, JIN Wentao, XUE Peng-qian. Mechanism of cultivating application-oriented and innovative automation[J]. Journal of North China Institute of Science and Technology, 2012,9(4)：48-52.

[5] 张 涛,蒋静坪. 交流伺服系统的非线性控制[J]. 电工技术学报，2001, 16(1):57-59.

ZHANG Tao, JIANG Jing-ping. Nolinear control of AC servo system [J]. Transactions of China Electro technical Society, 2001, 16(1):57-59.

[6] 高红光,宋领赟.浅论基于单片机的电动机转速测量系统设计[J].中国新通信,2013(6):29.

GAO Hong-guang, SONG Ling-yun. Design of motor speed measurement system based on MCU [J]. Chinese New Communication, 2013(6): 29.

[7] 邢灿华,解 萌.基于AT89C51的电动机转速测量装置的设计[J].机电产品开发与创新,2012,25(5):129-130.

XING Can-hua, XIE Meng. Design of motor speed measurement device based on AT89C51 [J]. Development and Innovation of Mechanical and Electrical Products, 2012,25(5): 129-130.

[8] 李福进,陈至坤,王汝琳，等.基于单片机的转速测量方法[J].工矿自动化,2006(1):54-55.

LI Fu-jin, CHEN Zhi-kun, WANG Ru-linetal. Speed measurement method based on MCU [J]. Industrial Automation, 2006(1): 54-55.

[9] 程 勇.用单片机变频器控制电动机调速实验的探索[J].实验室研究与探索,2004,23(10):69-70.

CHENG Yong. Research and exploration of laboratory experiment with single chip microcomputer control motor speed control inverter [J]. Research and Exploration in Laboratory, 2004,23(10): 69-70.

[10] 孙艳霞.基于单片机的无刷直流电动机脉宽调速系统[J].沈阳工业大学学报,2008,30(6):623-627.

SUN Yan-xia. Brushless DC motor PWM system based on single chip microcomputer [J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2008,30(6): 623-627.

[11] 杨 斌.一种基于8751单片机的直流无刷电动机控制系统[J].化学工程与装备,2011(5):125-126.

YANG Bin. A brushless motor control system based on DC 8751 SCM [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2011(5): 125-126.

[12] 张 涛,薛鹏骞,蒋静坪.基于CAN总线的煤矿安全生产监控系统的设计[J].煤炭科学技术,2007(6) :46-48.

ZHANG Tao, XUE Pengqian, JIANG Jing-ping. Design of monitor and control system in mine safety based on CAN field bus [J]. Coal Science and Technology, 2007(6):46-48.

[13] 张 涛,薛鹏骞,孟庆春.大林算法在位置随动系统中的应用[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2007,26(3):398-400.

ZHANG Tao, XUE Peng-qian, MENG Qing-chun. Research on the application of Dahlin algorithm in position follow-up system [J]. Journal of Liaoning Technical University: Natural Science, 2007, 26(3):398-400.

[14] 朱 雄,张 涛.基于CAN总线的煤矿安全智能测控节点的设计[C]//第18届全国煤矿自动化与信息化学术会议论文集.北京:煤炭工业出版社, 2008:34-39.

ZHU Xiong, ZHANG Tao. Design of coal mine safety based on CAN field bus [C]//The 18thproceedings of coal mine automation and information. Beijing: China Coal Industry Publishing House, 2008:34-39.

[15] 张 涛,薛鹏骞,蒋静坪.基于LON总线的煤矿安全生产监控系统[C] //煤矿安全发展战略学术研讨会论文集.北京:煤炭工业出版社, 2008:122-126.

ZHANG Tao, XUE Peng-qian, JIANG Jing-ping. Coal mine safety monitoring system based on LON field bus [C] //Symposium on development strategy based on the safety production in coal mine. Beijing: China Coal Industry Publishing House, 2008:122-126.

[16] 张 涛.基于Profibus-DP总线的煤矿安全生产监测监控系统[C] //. 第三届全国煤矿机械安全装备技术发展高层论坛论文集.徐州：中国矿业大学出版社,2012:464-469.

ZHANG Tao. Coal mine safety monitoring system based on Profibus-DP field bus [C] //. Symposium on the 3rdproceedings of national development forum for coal mine machinery equipment technology. Xuzhou: China University of Mining and Technology press, 2012: 464-469.