直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

徐啟鵬 張艷霞 陳立申 高安芹

山東電力高等?？茖W(xué)校 山東 濟(jì)南 250002

0 引言

早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，由運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，觸發(fā)精度易受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。隨著單片機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，許多電動(dòng)機(jī)的控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成。這不但為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，而且使系統(tǒng)能達(dá)到了更高的性能，從而大大節(jié)約了人力資源，降低了系統(tǒng)成本，有效地提高了工作效率。

單片機(jī)的控制方式是由軟件完成的，因此也就更能方便準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)速度的調(diào)節(jié)。一種速度對應(yīng)一個(gè)電壓平均值，一個(gè)電壓平均值對應(yīng)一種占空比。因此當(dāng)我們設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速時(shí)，可由單片機(jī)來調(diào)用一種占空比的程序，從而使單片機(jī)產(chǎn)生特定的PWM信號(hào)，然后此信號(hào)經(jīng)過放大器與電動(dòng)機(jī)相連，電動(dòng)機(jī)的另一端接其額定電壓。這樣加在電動(dòng)機(jī)兩側(cè)的平均電壓便是其速度所對應(yīng)的平均電壓，那么轉(zhuǎn)速也將是設(shè)定的轉(zhuǎn)速。依靠單片機(jī)的簡單運(yùn)算便可快速得到想要的速度，這種方法簡單又有足夠的控制精度，因此在電氣傳動(dòng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中受到重視和普遍應(yīng)用。

1 單片機(jī)產(chǎn)生PWM的方法

1.1 脈寬調(diào)制的方法

脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）是一種對模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。因此PWM技術(shù)廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

PWM調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。采用定頻調(diào)寬方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定；并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖的軟件上實(shí)現(xiàn)比較方便。PWM軟件實(shí)現(xiàn)有兩種方式：（1）采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個(gè)us。（2）采用軟件延時(shí)方式，這一方式在精度上不及第一種方式，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。但是不占用定時(shí)器資源。本篇所用為第一種方式。

1.2 PWM脈沖的實(shí)現(xiàn)

利用單片機(jī)AT89S52產(chǎn)生PWM信號(hào)，在軟件中的設(shè)置要點(diǎn)主要包括：（1）設(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的周期 （2）在PWM控制寄存器中設(shè)置接通時(shí)間（3）設(shè)置PWM輸出的方向，這個(gè)輸出是一個(gè)通用I/O管腳（4）啟動(dòng)定時(shí)器（5）使能PWM控制器程序如下：

if（timer0_tick＜ZKB）//當(dāng)小于占空比時(shí)輸出高電平，等于或高于占空比時(shí)輸出低電平；通過調(diào)節(jié)ZKB的大小，從而實(shí)現(xiàn)占空比的調(diào)整

這樣就將產(chǎn)生一個(gè)特定占空比的PWM脈沖。

PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從AT89S52到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，才能對數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。這也是PWM用于通信的主要原因。

2 直流電機(jī)調(diào)速的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件的組成

系統(tǒng)硬件的組成如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)硬件的組成圖

由于單片機(jī)輸出口有電壓無電流，不能驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，所以需要功率放大。功放電路可以用集成功放元件（如ULN2003）來實(shí)現(xiàn)。

為了能使電動(dòng)機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，先要把已知換作未知，逐一增加占空比，測轉(zhuǎn)速為多少，當(dāng)設(shè)定這種轉(zhuǎn)速時(shí)，那么單片機(jī)就調(diào)用此占空比的程序，這樣也就能快速達(dá)到想要的轉(zhuǎn)速了。為了更精確一些，可加入反饋，實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)際速度與設(shè)定速度的差別，應(yīng)用程序調(diào)整轉(zhuǎn)速，使其更精確。

2.2 PWM的應(yīng)用

運(yùn)用單片機(jī)產(chǎn)生的PWM脈沖具有簡單、精確、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

如帆板控制系統(tǒng)中，要求風(fēng)扇的風(fēng)力大小可以調(diào)節(jié)，那么選用單片機(jī)產(chǎn)生PWM技術(shù)，改變直流電機(jī)電壓的平均值，從而控制風(fēng)力大小 。連接如圖2所示：

圖2 單片機(jī)連接圖

由于單片機(jī)輸出口有電壓無電流，不能驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，所以用ULN2003驅(qū)動(dòng)，采用+5V電源，但因?yàn)閁LN2003中每一個(gè)達(dá)林頓的最大灌電流為500毫安，所以采用三個(gè)達(dá)林頓并聯(lián)來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。單片機(jī)的輸出口P3.7輸出一定占空比的PWM脈沖，使得加在直流電機(jī)上的電壓平均值發(fā)生變化，從而風(fēng)力不同。每一種占空比對應(yīng)著一種風(fēng)力，也就對應(yīng)著一種帆板角度。因此逐一增加占空比，讀取帆板角度，當(dāng)要求帆板達(dá)到某個(gè)角度時(shí)，那么AT89S52就直接調(diào)用相應(yīng)占空比的程序即可。

3 結(jié)束語

本文所述的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是以低價(jià)位的單片機(jī)AT89S52為核心的，采用PWM軟件方法來實(shí)現(xiàn)的調(diào)速過程具有更大的靈活性和更低的成本，它能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的效能，對于簡易速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。

[1] 朱傳琴，高安芹.應(yīng)用電子技術(shù)及實(shí)訓(xùn)[M].北京：中國電力出版社.2011.

[2] 石文華.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社.2005.

[3] 陳世元.電機(jī)學(xué)[M].北京：中國電力出版社，2008.

[4] 朱傳琴.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2007.

[5] 山東賽區(qū)組委會(huì).山東省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽下冊[R].2006.

[6] 張一和.電路設(shè)計(jì)大全[M].北京：中國鐵道部出版社，2005.

[7] 余小平，奚大順.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[8] 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽組委會(huì).全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽獲獎(jiǎng)作品精選（1994-1999）[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2003.

[9] Paul Scherz（美）.發(fā)明者電子設(shè)計(jì)寶典[M].福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

[10] 杜威，張彤，王曉雷，文伯聰.C語音程序設(shè)計(jì)教程[M].廣州：暨南大學(xué)出版社，2004.

[11] 叢書編委會(huì) .C語言實(shí)例教程[M].北京：中國電力出版社，2008.

[12] 賈立新，王涌.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[13] 何希才.常用集成電路應(yīng)用實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.