單片機(jī)控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷金莉

摘要：為提高直流調(diào)速系統(tǒng)的控制精度和節(jié)約開發(fā)成本，提出一種以單片機(jī)STC89C54RD+為核心的PWM調(diào)速器設(shè)計(jì)方案。利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)，采用雙閉環(huán)PI控制調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，以改變直流電機(jī)電樞電壓，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。運(yùn)用Proteus和Keil進(jìn)行了軟硬件仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)電路能產(chǎn)生正確的PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，且可以節(jié)約開發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);PWM;直流電機(jī);Proteus仿真

一、引言

直流電機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能，廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[1]。脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速方法，具有精度高、響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬，易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)[2]，成為直流調(diào)速系統(tǒng)最常用的調(diào)速方法。本文給提出一種以STC89C54RD+單片機(jī)為核心，結(jié)合L298 驅(qū)動(dòng)構(gòu)成的直流雙閉環(huán)PWM 調(diào)速實(shí)現(xiàn)方法。

二、PWM調(diào)速方法

（一）直流電機(jī)調(diào)速原理

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過電樞控制法和磁場(chǎng)控制法來調(diào)節(jié)。電樞控制法通過改變電樞端電壓而達(dá)到調(diào)速的目的，易于實(shí)現(xiàn)，因此廣泛應(yīng)用于直流調(diào)速系統(tǒng)中。

PWM調(diào)速是根據(jù)給定的頻率，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)器件的接通和關(guān)斷時(shí)間（占空比），使其輸出電壓的脈沖寬度改變，從而改變了輸送到電樞電壓的幅值，以達(dá)到改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。PWM調(diào)速具有控制電路簡(jiǎn)單、功耗小、響應(yīng)快以及控制精度高等優(yōu)越性。

（二）PWM調(diào)速的控制方法

PWM調(diào)速是調(diào)節(jié)脈寬的寬度以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓。占空比越大，輸出的脈沖幅度越高，即電壓越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高。PWM常用的控制方法有三種：定寬調(diào)頻、定頻調(diào)寬和調(diào)頻調(diào)寬。

定寬調(diào)頻和調(diào)頻調(diào)寬調(diào)制方法都改變了時(shí)間總周期（頻率），可能會(huì)使得控制頻率與系統(tǒng)的固有頻率相接近，很容易造成系統(tǒng)的振蕩。定頻調(diào)寬方式不改變信號(hào)頻率，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，設(shè)計(jì)中采用定頻調(diào)寬PWM方法。

三、硬件設(shè)計(jì)

近年來，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，PWM控制器向著集成化、小型化和智能化方向發(fā)展。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)STC89C54RD+為核心設(shè)計(jì)了一個(gè)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

（一）PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成

直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由單片機(jī)系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)和鍵盤顯示電路組成。轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路測(cè)得電機(jī)的當(dāng)前速度通過輸入口 反饋到單片機(jī)中，單片機(jī)將反饋的轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)給定的電機(jī)速度進(jìn)行比較，所得的偏差經(jīng)過轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，得出控制量，以PWM 的形式輸出，經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。

（二）PWM驅(qū)動(dòng)電路

PWM信號(hào)從單片機(jī)的P1口輸出，控制器根據(jù)給定的電機(jī)轉(zhuǎn)速和檢測(cè)電路反饋的電機(jī)轉(zhuǎn)速的差值來確定定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，從而調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比。本系統(tǒng)采用H橋式驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

四、軟件設(shè)計(jì)

程序由主程序、初始化子程序、轉(zhuǎn)速檢測(cè)子程序、PWM生成子程序等組成。調(diào)速系統(tǒng)的工作流程是：系統(tǒng)上電，初始化完成后，轉(zhuǎn)速檢測(cè)子程序獲取實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，PWM生成子程序把給定速度與實(shí)際速度進(jìn)行比較，采用PI控制算法生成控制量，該控制量用來調(diào)控PWM的占空比經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊功率放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

五、仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的有效性，采用Proteus進(jìn)行仿真，仿真實(shí)驗(yàn)用直流電機(jī)供電電壓為12V，可通過顯示器觀察電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，也可通過程序設(shè)置顯示實(shí)時(shí)的PWM占空比。圖2是占空比為30%時(shí)輸出的PWM信號(hào)。

通過仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，所設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)時(shí)觀測(cè)到系統(tǒng)的占空比和電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)占空比變化時(shí)，PWM波形隨之發(fā)生變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之改變，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

六、結(jié)論

本文以單片機(jī)STC89C54RD+為核心設(shè)計(jì)了一個(gè)直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)，運(yùn)用PI控制算法調(diào)節(jié)。通過仿真軟件Proteus和Keil軟件進(jìn)行了軟硬件的仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的直流調(diào)速系統(tǒng)能夠通過改變PWM信號(hào)的占空比來實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。

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