基于單片機的直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)設計

吳波

摘 要：本文介紹了如何設計一種基于單片機的直流電機PMW調(diào)速系統(tǒng)，以解決直流電機數(shù)字化的調(diào)速問題。本系統(tǒng)以單片機AT89S51為核心控制器件，通過按鍵調(diào)速，采用L298N芯片驅(qū)動直流電機，利用霍爾傳感器測得直流電機的轉(zhuǎn)速，通過LED數(shù)碼管實時顯示。整個系統(tǒng)電路設計簡單，穩(wěn)定性好，實用價值高。

關鍵詞：單片機 PWM 直流調(diào)速 L298

由于直流調(diào)速系統(tǒng)帶載啟動性能好，轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍廣，靜差率小，穩(wěn)定性強以及具有良好的動態(tài)性能，在相當長的時期內(nèi)，國內(nèi)高性能的調(diào)速系統(tǒng)大多采用了直流調(diào)速系統(tǒng)。早期直流調(diào)速系統(tǒng)由許多模擬分立元件組成，因元件的不穩(wěn)定性，噪聲的干擾等因素，使得系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性較差。但隨著計算機控制技術的發(fā)展，直流調(diào)速系統(tǒng)進入一個數(shù)字化的新時代。

一、PWM調(diào)速原理

如圖1a所示，在電路中，按照一定頻率接通、關斷半導體器件VT，電動機電樞得到斬波電壓，如圖1b所示。通過調(diào)整電壓的“占空比”來調(diào)整平均輸出電壓Ud，從而控制直流電動機的轉(zhuǎn)速Vd。

分析討論：當電機始終通電時，轉(zhuǎn)速為Vmax；當占空比為D=ton/T時，則平均轉(zhuǎn)速為Vd=Vmax*D。由此可見，當改變占空比D時，電機的平均速度Vd就實現(xiàn)可調(diào)。在非嚴格情況下，平均速度Vd與占空比D近似認為線性關系。這是直流電動機PWM調(diào)速的基本工作原理。

二、系統(tǒng)硬件設計

1.系統(tǒng)設計架構

本系統(tǒng)以單片機AT89S51為核心微處理器，當鍵盤接收到按鍵信息后，經(jīng)程序運算，輸出一定占空比的PWM信號。一路信號送給L298輸入端，控制直流電動機的運行方向；另一路送給L298使能端，控制運行速度。另外，在直流電機中安裝霍爾傳感器，應用M法，進行定時計數(shù)，把速度信號反饋給單片機，將程序計算出的轉(zhuǎn)速，送4位LED數(shù)碼管實時顯示。整個系統(tǒng)由雙路穩(wěn)壓電源提供。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.單片機及鍵盤部分

以MCS-51為內(nèi)核的單片機，目前仍是市場的主流產(chǎn)品。本系統(tǒng)采用的AT89S51，是Atmel公司于2003年在AT89C51基礎上推出新的產(chǎn)品，在保留原有的Flash存儲器的同時，增加了在線可編程ISP，33MHz的時鐘頻率，原有功能同時向下兼容，指令系統(tǒng)保持不變。它擁有2個16位定時/計數(shù)器，6個中斷源，可以用來定時輸出PWM方波，中斷計數(shù)、轉(zhuǎn)速檢測、實時顯示等。

3.雙路穩(wěn)壓電源

本系統(tǒng)電源采用雙路輸出的線性直流穩(wěn)壓電源，+5V為控制部分的邏輯元件提供直流電源，+12V為小型直流電動機提供額定的工作電壓。電路圖如圖4所示。

此電源電路由1個220V到12V的變壓器，1個整流橋堆，2個集成穩(wěn)壓芯片和6個電容組成。C4是整流后的低頻濾波電容，C5是高頻率小電容，C6和C7改善了穩(wěn)壓電源的瞬態(tài)負載響應特性。

4.電機驅(qū)動電路

本系統(tǒng)采用了L298N芯片作為直流電機的驅(qū)動電路。L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片有15個引腳，最高工作電壓46V，持續(xù)工作電流為2A；內(nèi)含兩個H型全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機等感性負載；對L298N邏輯部分電源電壓Vss接5V，驅(qū)動電源電壓Vs供+12V。

L298N的引腳邏輯功能表，如圖5a所示，IN1、IN2控制電機的轉(zhuǎn)向；ENA接輸入的PWM信號，控制電機的轉(zhuǎn)速，接線圖如圖5b所示。

5.測速和顯示電路

本系統(tǒng)選用霍爾傳感器CS3020，采用M法，對電動機進行測速。先將2個小磁鋼對稱固定于電動機的旋轉(zhuǎn)主軸上，每當旋轉(zhuǎn)一周時，霍爾元件輸出2個高電平脈沖，就可以測出實際的轉(zhuǎn)速。

為節(jié)省I/O口資源，單片機從P2.0～P2.3口輸出4位BCD碼，經(jīng)74LS47譯碼，轉(zhuǎn)換成七段碼顯示；P2.4～P2.7口分別作為4位LED數(shù)碼管的選通腳，原理框圖如圖6所示。

三、 小結

縱觀電氣傳動國內(nèi)外發(fā)展的情況，雖然直流電機結構復雜成本高，但我國目前仍有大量機床和系統(tǒng)使用直流電機，調(diào)速使用模擬PWM控制或用晶閘管移相控制。如果將其改造為微處理器控制的PWM調(diào)速系統(tǒng)，使其控制方式數(shù)字化，線路簡單化，運行性能必然穩(wěn)定、可靠，前景廣泛，有很好的實用價值。

（作者單位：廣州市交通高級技工學校）endprint