直流電機ＰＷＭ調速系統設計

[摘要] PWM(Pulse Width Modulation)控制就是指保持開關周期T不變，調節開關導通時間T 對脈沖的寬度進行調制的技術。PWM控制技術在晶閘管時代就已經產生，但是最初為了使晶閘管通斷要付出很大的代價，因而難以得到廣泛應用。以IGBT、功率MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善，給PWM控制技術提供了強大的物質基礎，推動這項技術的迅猛發展。對于直流電機，采用PWM控制技術構成的無級調速系統，起停時對直流系統無沖擊，并且具有啟動功耗小、運行穩定的特點。

[關鍵詞] 直流電機PWM調速系統

直流電機由于具有速度控制容易，啟、制動性能良好，且在寬范圍內平滑調速等特點而在冶金、機械制造、輕工等工業部門中得到廣泛應用。直流電動機轉速的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制;而且由于勵磁線圈電感較大，動態響應較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調速的電樞電壓控制法。調節電阻R即可改變端電壓，達到調速目的。但這種傳統的調壓調速方法效率低。

隨著電力電子技術的進步，發展了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM(脈寬調制)是常用的一種調速方法。其基本原理是用改變電機電樞(定子)電壓的接通和斷開的時間比(占空比)來控制馬達的速度，在脈寬調速系統中，當電機通電時，其速度增加；電機斷電時，其速度減低。只要按照一定的規律改變通、斷電的時間，即可使電機的速度達到并保持一穩定值。最近幾年來，隨著微電子技術和計算機技術的發展及單片機的廣泛應用，使調速裝置向集成化、小型化和智能化方向發展。

一、PWM信號發生電路設計

PWM信號發生器是由單片機和PWM脈沖發生電路兩部分組成，其原理如圖所示。PWM脈沖可由具有PWM輸出口的單片機(如80C552，80C198等)通過編程產生，或者由單片機外擴8253來構成脈寬調制器，還可以采用PWM專用芯片。在實踐中我們采用通用集成電路4585和4040設計了一種專用的PWM的脈沖發生電路。當l2位二進制串行計數器u4(404o)的RST引腳為“1”高電平)時，Q2-Q9均為“0”(低電平)。當RST為“0”時，CLK引腳每來一個脈沖，計數器加l。當系統晶振頻率為12MHz時，Q2-Q9由全“0”變為全“l”的時間為42.5μs。2片4位數值比較器U2，U3(4585)串聯組成8位數值比較器，其A組輸入端接U4的Q2-Q9，B組輸入端由U1的P1口送入預置數N。當A組輸入小于B組輸入時，U2的l3腳輸出低電平，否則U2的l3腳輸出高電平，這樣在U2的l3腳就產生了脈沖信號，其占空比為(256-N)／256，周期為42．5μs。這里U1選擇美國ATMAL公司的AT89C2051，其芯片結構和指令系統與5l系列單片機兼容，內部有2KB閃速存儲器，無需外擴EPROM，而且僅有20條引腳，管腳排列參見圖。該芯片市場價格便宜，具有良好的性能價格比，特別適用于小型經濟型控制器。在本系統中，由U1的Pl口向8位數值比較器U2和U3傳送預置數N，改變N就可以改變PWM脈的占空比。

二、直流電機速度閉環控制軟件實現方法

u1的P3.3，P3.4分別接升速按鈕s1和降速按鈕s2。當s1鍵按下時，將送到P1口的預置數N減1以增大PWM信號的占空比；當s2按下時，將N加1以減小PWM信號的占空比。

在進行軟件編程時應加入鍵盤去抖、速度限幅等處理程序。系統采用計時法測量電機轉速。電機的輸出軸裝有測速盤，其上沿圓周方向均布32個孔，采用透射式光電傳感器，其輸出信號經施密特觸發器整形后輸入2051的P3-2口。每當轉至小孔處，光電傳感器接收到信號，引起2051外部中斷。2051的定時器T1設定為16位定時器方式，初始化TH1，TL1為#00H。在外部中斷程序中啟動定時器T1，然后中斷返回。當下一個外部中斷到來時，讀取TH1，TL1的值，即兩孔間電機運行時間t。依據系統的機械結構尺寸，通過計算得出電機各檔速度下的T值，組成速度一時間表。當電機處于某檔速度時，測量所得到的t值，如比較從速度一時間表中查出的T值大，則說明電機速度比設定的低，此時可通過增大PWM脈沖的占空比提高電機的轉速，反之，則通過減小PWM脈沖的占空比提高電機的轉速。這樣通過軟件編程，就實現了直流電機的速度閉環控制。實踐中，應采用數字濾波去除抖動或外部干擾的影響。

三、結論

本系統控制原理成熟可靠，運行穩定。該系統是基于現代電力電子技術，采用PWM控制技術構成的無級調速系統，啟停時對直流系統無沖擊。工作安全可靠、維護量小，從而確保了系統的安全運行。

參考文獻:

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