基于脉冲宽度调制的直流电机控制方法研究与设计

隋美丽，夏征，龙建，王楠

（1.北京电子科技职业学院 汽车工程学院，北京 100176；2.中油管道检测技术有限责任公司，河北 廊坊 065000）

基于脉冲宽度调制的直流电机控制方法研究与设计

隋美丽1，夏征2，龙建1，王楠1

（1.北京电子科技职业学院 汽车工程学院，北京 100176；2.中油管道检测技术有限责任公司，河北 廊坊 065000）

通过对脉宽调制（PWM）控制直流电机转速的方法进行了研究，以STC12C5201AD单片机为主控芯片，并对控制电路进行了设计，通过H桥驱动电机，为平滑调速提供了一种解决方案，该调速方法具有灵活性强、控制精度高、调节范围广，具有较强的实用性。

脉宽调制；直流电机；控制

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-46-03

1、绪论

随着电子技术数字化、智能化的发展，直流电机调速技术也快速发展。直流电机调速方法通常有直流电压直接供电，通过简单的调速电路改变电机的内阻来改变直流电机的电压降实现电机的调速，但该调速的方法调速不精确。还有一种调速方法由发电机带动电动机调速，这种调速方式调速性能较好，缺点是系统本身庞大，成本较高[1]。自PWM调速技术出现以来，迅速被应用于直流电机调速领域中，并且其在性能方面、成本方面以及操作方面表现出了很多优势，因此得到了广泛应用[1]。

2、PWM控制的基本原理

PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。从宏观上讲，PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，来达到输出控制要求的一种电压调整方法。PWM应用范围广泛，如电机调速、温度控制、压力控制等[2][3]。在PWM驱动控制的调整系统中，通常是按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，又被称为“开关驱动装置”，如可以通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。

占空比是指在输出的PWM中，高电平保持的时间与该PWM的时钟周期之比。PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压，通过调节方波高电平和低电平的时间比来实现。如一个PWM的频率是1000Hz，那么它的时钟周期为1ms，如高电平出现的时间是200us，低电平的时间是800us，其占空比为200:1000，即1:5，此时会有20%的高电平时间和80%的低电平时间；而一个60%占空比的波形则具有60%的高电平时间和40%的低电平时间，占空比越大，高电平时间越长，则输出的脉冲幅度越高，即电压越高。因此，可以通过调节占空比来实现调节输出电压的目的，并且可以实现无级连续调节。

3、PWM调速实现方法

3.1 直流电机速度计算

设直流电机接通电源时，转速最大为Vmax，PWM周期为T，高电平持续时间为t，如图1所示，则占空比η为：

电机的平均转速度Vη为：

图1 PWM占空比

由以上公式可知，占空比与电机转速呈线性关系，可以很方便地通过改变占空比来调节电机平均转速。

3.2 利用延时法实现PWM控制

本文主要介绍采用STC15C5201AD单片机产生PWM信号的软件实现方法。如果对占空比要求不太严格，可采用延时方式，如果需要严格定时，则可采用定时器中断方式。小车电路如图2所示，分别用P1.6、P3.5和P2.1、P3.7控制两个后轮。小车后轮正反转控制真值表如表2、表3所示。

图2 小车电路图

表1 小车后轮1正反转控制真值表

表2 小车后轮2正反转控制真值表

如采用一般的延时方法来实现小车的正反转，优点是程序实现代码简单，不需要使用定时器，节省系统硬件资源，不需要考虑晶振频率，易于理解与编程，缺点是CPU会把大部分时间消耗在延时上，如果还有其他逻辑运行，会使延时精度降低，并影响系统响应速度。但在系统硬件资源紧张的情况下，延时方式不失为一种较好的解决方案。利用延时方式实现电机正反转和延时，只要改变参数speed就可改变PWM的占空比。设计程序时将一个周期分为了20份，高电平与低电平采用互补形式，可实现占空比在0%～100%范围内调节。

3.3 利用定频调宽法实现PWM控制

直流电机调速一般可以采用定宽调频、调宽调频、定频调宽三种方法改变占空比的值，但是前两种方法在调速时改变了控制脉宽的周期，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时将会引起振荡，因此常采用定频调宽法改变占空比的值，从而改变直流电动机电枢两端电压。定频调宽法的频率一般在800～1000Hz。

利用控制定时器初值，可以实现输出不同占空比的PWM。我们利用单片机内部的定时器，结合定时器的工作方式和系统晶振，来确定定时器的初值。若时钟频率为f，定时器/计数器为n位，则定时器初值与定时时间的关系为：

式中，t表示定时时间；n表示定时器的位数；n0表示定时器的计数初值；N表示单片机一个机器周期需要的时钟数；f表示单片机晶振频率。

如果选用两个定时器，一个用来控制高电平时间，另一个控制低电平时间，可以很容易达到要求，但会浪费单片机定时器资源。为此我们可以利用一个定时器来分别控制高电平和低电平持续的时间来调节占空比，从而达到控制电机转速的目的。

系统中，STC12C5201AD单片机的晶振为22.1184MHz，采用定频调宽法，产生一个周期为1毫秒，占空比为1/5的PWM信号，采用T0（方式0）中断方式由P1.0输出一个PWM信号。

4、结论

通过单片机产生PWM脉冲来实现电机调速具有灵活性强、控制精度高、调节范围广、稳定性高、成本低等特点，简化了系统结构，能够充分发挥单片机的效能。由于单片机的管脚驱动能力有限，不能直接驱动直流电机，在本系统中，利用定频调宽等方法产生PWM信号，通过H桥驱动电机，为平滑调速提供了一种解决方案，有很强的实用性。

[1] 焦玉朋.基于51单片机的PWM直流电机调速系统[D]. 呼和浩特:内蒙古大学,2013.5.

[2] 李永东,高跃.变频世界[J]. 2006.3:6-13.

[3] 司明.一种开关电源PWM控制电路设计[D].沈阳:辽宁大学2013.

Research and Design of DC Motor Control Method Based on Pulse Width Modulation

Sui Meili1, Xia Zheng2, Long Jian1, WangNan1
（1. School of Automotive Engineering, Beijing Polytechnic, Beijing 100176; 2. China Petroleum Pipeline Inspection Technologies Co. Ltd, Hebei Langfang 065000）

By controlling the pulse width modulation (PWM) method, the speed of DC motor is studied, using STC12C5201AD microcontroller as the main control chip, and the control circuit are designed through the H bridge drive motor, provides a solution for smooth speed regulation, the speed control method has strong flexibility, high control precision, wide adjustment range, With strong practicability.

PWM; DC motor; Control

U462.1

A

1671-7988 (2017)08-46-03

隋美丽（1978.11- ）女，讲师，博士。就职于北京电子科技职业学院。主要从事汽车电子、车辆工程等方面的研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.015