浅析单片机对直流电机的控制

丁健鸿

【摘要】本文旨在介绍单片机控制直流电机的整体思想和核心框架，从直流电机的工作原理入手，详细阐述了其旋转的核心原理，然后通过对PWM技术的介绍，以及对单片机产生PWM脉冲信号，从而实现单片机对直流电机的智能控制。

【关键词】单片机；占空比；PWM

1.概述

随着科学技术的快速发展以及社会经济水平的不断提升，人们对物质生活水平的要求越来越高，他们迫切希望能够通过高的科学技术水平来提升人们的物质生活条件和水平，日常生产生活中的各种事宜都能按照人们的意愿，自动地完成。这就要求在生活中使用各种电动机来驱动机械设备完成人们的预期的功能。直流电机是目前电动机中稳定性较高、应用范围较广的设备，已经被广泛地应用在社会的交通、航空、工业、政府等各个领域中的方方面面。然而，人们对电动机的要求，不仅仅是能够带动机械设备完成相应的工作，而且是要在不同的环境条件下，按照不同的速度进行运转，从而提供更加高质量的服务。直流电机的调度性能非常良好，而且有专门的外部接口能够对直流电机进行速度控制，从而实现不同条件下的速度要求。单片机是人工智能化的核心控制设备和数据存储设备，能够将人们的想法，通过计算机二进制数据的形式存储在单片机中，并且通过专门的电路和接口生成固定的控制信号，从而实现对各种设备的控制。如何实现通过单片机来控制直流电机，是非常值得研究的问题，通过单片机生成调速信号，驱动直流电机工作，从而实现自动化控制，这对于实现自动化功能、提升生活质量来说，具有非常重要的现实意义。

2.直流电机的工作原理

电动机是将电能转化成动能的专业设备，而直流电动机则是以直流电为驱动电源的一种旋转设备，通过内部的磁极、电刷、铁芯、绕线组等构成的定子和转子，将直流电转换成相应的磁场，通过磁场作用产生动力。直流电机的定子是固定的，上面有两个固定的永久磁铁，电刷则是与电源直接连通，当有直流电通过时，电刷连接转子绕线组形成回路，电流通过产生磁场，该磁场与定子永久磁铁的磁场相互作用，驱动转子旋转。特别的，在直流电机中有一个换向器设备，在转子在一个旋转周期内旋转时，由于电刷位置固定，即电流流向的方向，经电刷处是固定的，而转子的线圈旋转过半时，绕线组的方向就会发生变化，如果电刷中的电流方向不变化，那么转子此时产生的磁场与定子磁场的作用力，与上半圈电流流经转子产生的磁场与定子磁场的作用力正好相反，那么此时转子就会向反方向提供作用力，电机将不会旋转，所以换向器的作用就保证了流经绕线组的电流产生的磁场与定子磁场之间的作用力始终是一致的，从而源源不断的磁场作用力就能使转子旋转。最终形成的效果就是，如果提供的电源电流方向不变，转子方向就不会发生变化，即电机旋转方向不变，改变电流方向，转子旋转方向发生变化，电机旋转方向发生变化。

3.单片机控制直流电机

单片机控制直流电机，主要是采用PWM技术，对直流电机进行控制。由于直流电机自身的特性，在不同电流流向的直流通过时以及在不同时间的磁场力作用下，转速和转向都是不同的。PWM技术就是按照直流电机自身固有的特性，通过对控制信号的改变和调整，来实现对直流电机的控制。

3.1 PWM技术

PWM技术的核心技术就是生成方波，然后调整其不同的占空比和方向来实现对直流电机控制电流的调整和改变。如图1.所示，为PWM的脉冲信号示意图。

由图1可知，PWM脉冲信号是周期为T的信号，在一个完整周期内，高电压为t1，低电压为t2，PWM脉冲信号就是重复周期T的信号对直流电机进行控制。当直流电机通过高电压t1时，直流电机转子和定子产生相互作用的磁场力，直流电机工作，当直流电机通过低电压t2时，直流电机转子不产生磁场力，直流电机不工作。那么在一个完成的周期内，如果能够按照人们的意愿灵活地改变t1和t2的比例，即可实现对直流电机作用力时间的改变，从而改变直流电机的运转速度。同样的，如果改变PWM脉冲信号的直流控制信号方向，那么直流电机的旋转方向就会发生改变，从而实现对直流电机旋转方向的控制。

PWM技術应用在单片机控制电动机方面应用十分广泛，由于PWM脉冲信号为方波，属于数字信号，单片机很容易通过专门的输入输出端口或者通过有序地控制二极管通连情况，来生成PWM脉冲信号。

3.2单片机控制直流电机框架

单片机控制直流电机的电路框架分为三部分，分别是人机交互接口的键盘控制电路，单片机核心控制电路，直流电机驱动和工作电路。其中，键盘控制电路提供了外部接口能够方便使用者对单片机输入控制信号，如开机、加速、减速、换向、关机等。单片机核心控制电路主要是读取键盘区域的外部控制信号、处理内部逻辑运算、生成PWM脉冲信号等。直流电机控制电路主要是接受单片机输出的PWM脉冲信号，并对其进行电压放大和功率放大的处理，使其能够满足直流电机的正常运转的功率需求。如图2.所示，为单片机控制直流电机的电路框架结构图。

3.3单片机控制流程

当外部用户按下开机键时，单片机开始工作，数据初始化，电动机控制芯片或者电路使能，数据初始化工作不仅包括单片机正常的数据初始化，还包括对内部定时器/计时器的设置、输入输出端口的设置等等。当用户按下加速按钮，单片机产生默认方向的PWM脉冲信号，占空比为相对较小的单位，此PWM脉冲信号输出到直流电机控制电路，通过转换进行放大处理，驱动直流电机工作。当用户继续按下加速按钮时，单片机读取此信号，继续改变PWM脉冲信号占空比，脉冲信号的高电压比例增加，直流电机产生的磁场作用力时间变长，速度提升。当用户按下减速按钮时，单片机接收到此信号，减小PWM脉冲信号一个周期内的占空比，直流电机受到的作用力时间减少，速度降低。当用户按下反向按钮时，相反地，只需要改变PWM脉冲信号的方向即可实现直流电机的转向。

改变PWM脉冲信号占空比的方法有很多，如果使用二极管产生脉冲信号，可以采用定时器/计数器方式，对高电压与低电压的固定时间进行定时即可。特别的，为了能够减少直流电机的损耗，在对直流电机的旋转方向进行控制时，一定要在相对低速的情况下改变方向，这样对直流电机来能够起到保护作用。

4.总结

单片机控制直流电机，主要是利用直流电机自身特性，通过生成PWM脉冲信号，改变其占空比与脉冲信号的方向，来对直流电机进行控制，整个电路的框架从控制接口、到核心处理部分、到驱动部分结束生成适合直流电机运转工作的合适的PWM信号，从而实现对直流电机的智能控制。

参考文献：

[1]张岩，裴晓敏，付韶彬.基于单片机的智能循迹小车设计[J].国外电子测量技术，2014（03）

[2]兰羽.基于AT89C51单片机的心率体温测量仪设计[J].国外电子测量技术，2013（03）

[3]蓝厚荣.单片机的PWM控制技术[J].工业控制计算机，2010（03）