基于單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)

劉笑飛，王 強(qiáng)，周晶晶

湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢 430068

0 引言

目前，直流電機(jī)憑借其速度的可控性，穩(wěn)定的啟動(dòng)、制動(dòng)，平滑而經(jīng)濟(jì)的調(diào)速等特點(diǎn)，而在工業(yè)生產(chǎn)、城市建筑、農(nóng)田水利等多方面得到廣泛應(yīng)用[1]。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要采用3種方法，即改變電樞回路總電阻；改變電樞的供電電壓；改變勵(lì)磁磁通[2]。但是，通過(guò)調(diào)壓的方式進(jìn)行電機(jī)調(diào)速，會(huì)將一部分電壓轉(zhuǎn)化成熱能，使得能源利用率降低，造成了能源浪費(fèi)。并且傳統(tǒng)調(diào)速方式還具有調(diào)節(jié)精度低，調(diào)速不穩(wěn)定，可控性較差，裝置繁雜等缺點(diǎn)。而利用脈寬調(diào)制的方式對(duì)電機(jī)調(diào)速，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)速度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，而且還體現(xiàn)了節(jié)約能源，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)。本文介紹了一種以單片機(jī)為核心的軟件調(diào)速系統(tǒng)，在單片機(jī)的控制下由PWM發(fā)生電路產(chǎn)生調(diào)速脈沖，對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)多級(jí)調(diào)速。

1 電機(jī)PWM調(diào)速原理

脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡(jiǎn)稱PWM。通過(guò)改變電機(jī)電樞兩端的電壓的占空比，來(lái)周期性的改變電壓接通和斷開(kāi)的時(shí)間比，使得電壓的平均值發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速。相比電壓調(diào)速的方法，PWM調(diào)速具有精度高，易于控制等優(yōu)點(diǎn)。另外，它的調(diào)速方式為脈寬調(diào)制所以不會(huì)有太多的能源浪費(fèi)，可以保證系統(tǒng)較長(zhǎng)時(shí)間的工作，這對(duì)于移動(dòng)設(shè)備而言是巨大的優(yōu)勢(shì)。

設(shè)一個(gè)電壓變化周期為T(mén)（為定值），一個(gè)周期內(nèi)高電平時(shí)間t0 ，低電平時(shí)間t1 ，則占空比為：

由此可得平均電壓為：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 PWM調(diào)速硬件設(shè)計(jì)

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，采用BTS7960B驅(qū)動(dòng)芯片，兩個(gè)半橋功率驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960B組合成一個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電流較大，可達(dá)43A，驅(qū)動(dòng)電壓范圍5.5V～25V。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

BTS7960B是一個(gè)集成的大電流半橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片的集成度較高，功能全面，運(yùn)行穩(wěn)定，剛干擾能力強(qiáng)，優(yōu)于L298等其他驅(qū)動(dòng)芯片。芯片中應(yīng)用P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管，可以最大限度地減少電磁干擾。芯片的驅(qū)動(dòng)集成電路通過(guò)功能邏輯電平輸入，電流檢測(cè)與診斷，控制死區(qū)時(shí)間生成，用來(lái)有效防止過(guò)熱、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和短路。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，應(yīng)用兩片BTS7960B構(gòu)成H橋結(jié)構(gòu)，可很好的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的PWM調(diào)速。

3 PWM調(diào)速軟件設(shè)計(jì)

利用單片機(jī)所帶有的定時(shí)計(jì)數(shù)器，由指定的I/O口輸出占空比不同的方波。方波信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)芯片的兩端，通過(guò)周期性改變占空比的大小，來(lái)改變電機(jī)兩端電壓的平均值，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。

PWM電機(jī)調(diào)速的波形，每個(gè)方波周期為210.0ms，固定不變。但每個(gè)周期內(nèi)高電平的所占時(shí)間卻發(fā)生了周期性變化，即占空比發(fā)生了改變，使得電壓發(fā)生改變[3]。產(chǎn)生PWM波形的程序如下。

圖2 PWM電機(jī)調(diào)速波形

由以上程序可知，通過(guò)不斷改變占空比，改變了電壓的平均值，產(chǎn)生所需要的調(diào)速方波。PWM電機(jī)調(diào)速波形如圖2所示。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，運(yùn)用軟件技術(shù)，通過(guò)PWM脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的多級(jí)調(diào)速，有效減小了電機(jī)啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的沖擊。該系統(tǒng)造價(jià)低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)置靈活，適合用于直流電機(jī)的調(diào)速。經(jīng)軟硬件結(jié)合調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行正常，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

[1]汪玉成.直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].商場(chǎng)現(xiàn)代化，2007.

[2]李彩云，胡洪波.PWM技術(shù)在直流電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用[J].南昌高專學(xué)報(bào)，2008.

[3]張家定，林幅嚴(yán)，崔宏月.基于MCS-51單片機(jī)的直流小電機(jī)PWM調(diào)速設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技論文在線，2007.