基于單片機的直流電動機控制系統研究

王瑾

陜西工業職業技術學院信息工程學院，陜西 咸陽 712000

基于單片機的直流電動機控制系統研究

王瑾

陜西工業職業技術學院信息工程學院，陜西 咸陽 712000

為了提高直流電動機的控制精度和生產效率，本文提出了以MCS-51單片機為核心的，以PWM脈寬調制法為理論基礎的直流電動機控制系統設計方案，實現了直流電動機的方向及速度控制。系統所采取的PWM脈寬調制法及相應的硬件設計措施具有一定通用性，也可用于其他直流電機控制系統中。關鍵詞MCS-51單片機；直流電動機；PWM脈寬調制法中圖分類號:TP273 文獻標識碼: A

1 引言

在工業生產中，直流電動機作為主要的執行機構之一，而被廣泛應用于各種生產機械中。目前，為了適應高精度、高效率的生產需求，對直流電機的控制系統也提出了更高的要求。

隨著計算機技術的發展以及現代控制理論的應用；用微型計算機取代傳統的分立元件，通過軟件編程來實現復雜的控制算法，對電動機的控制也產生了重大影響，使得現代電機控制變得既簡單又經濟。本文主要以MCS-51單片機為核心，采用PWM脈寬調制法來實現直流電動機的方向及速度控制[1]。

2 系統結構

基于PWM脈寬調制法的直流電機控制系統結構框圖如圖1所示。整個系統主要由轉速給定、脈沖寬度發生器、驅動器、電子開關以及直流電動機等幾部分組成。

轉速給定部分是操作人員用來實現系統給定轉速的輸入部分。脈沖寬度發生器的核心部件為微型計算機，它通過輸入的給定轉速，經計算求出占空比α，并產生相應的脈沖序列輸出給驅動器。驅動器用來放大微機輸出的脈沖寬度調制信號，通常由放大器、繼電器或TTL集成電路構成。電子開關用來接通或關斷電動機電樞兩端的供電電源。直流電動機為執行機構，用來帶動被控對象。

圖1 系統結構框圖

3 直流電動機的速度控制

3.1 調速原理

已知直流電動機的轉速公式為[2]：

式中，n為電動機轉速；Ud為電樞電壓；Id為電樞電流；R為電樞回路總電阻；Ce為電動機時間常數；Ф為每極磁通量。

由轉速公式(1)可知，直流電動機的調速控制可采用以下兩種方法:(1)調節勵磁磁通的勵磁控制方法；(2)調節電樞電壓的電樞控制方法。

由于勵磁控制方法在低速時受磁極飽和的限制；且勵磁線圈電感較大，動態響應速度較慢，故此法用得較少，而在大多數應用場合都使用電樞控制方法。

電樞控制方法就是指當勵磁電壓和負載轉矩恒定時，通過調節電樞電壓來控制直流電動機的轉速,通過改變電樞電壓的極性來控制電動機的轉向,從而實現直流電機的方向及速度控制。而在微型計算機控制系統中,目前通常采用PWM脈寬調制法來實現直流電動機的電樞電壓控制。

3.2 PWM脈寬調制法

PWM脈寬調制法,就是通過改變電機電樞電壓的接通時間與通電周期的比值來控制電機速度,其控制原理如圖2所示[3]。

圖2 PWM脈寬調制法原理圖

為分析其控制原理，首先給MOSFET管V1的柵極輸入如圖3所示PWM波，此PWM波控制周期為T，高電平持續時間為t1秒，低電平持續時間為t2秒。

圖3輸入輸出電壓波形

圖2 中,當開關管V1的柵極輸入高電平時,開關管導通,直流電動機電樞兩端的電壓為Us；經過t1秒后,開關管V1的柵極輸入電壓變成低電平,開關管截止,電動機電樞兩端的電壓變成0伏；又經過t2秒后,V1的柵極輸入電壓又重新變成高電平,開關管和電動機電樞兩端的電壓又重復前面的過程。這時，電樞電壓U的波形如圖3所示。

由圖3可知，電樞電壓的平均值U0的大小為：

式中，α為占空比，α＝t1/T；占空比表示在一個控制周期T里，開關管導通的時間與周期的比值，其變化范圍為0≤α≤1。由式(2)可知,當電源電壓Us不變時，電動機電樞電壓的平均值U0取決于占空比α的大小，改變α值就可以改變電樞電壓的平均值，從而實現調速。

4 直流電動機的方向控制

直流電動機的PWM調速系統可分為不可逆系統和可逆系統兩種。所謂不可逆系統是指直流電動機只能單向旋轉；可逆系統是指直流電動機既可以正向旋轉，又可以反向旋轉[4]。

而對于可逆系統來說，又可分為單極性驅動和雙極性驅動兩種方式。由于雙極性驅動電路工作時，四個開關管都處于開關狀態，功耗較大；且每個開關管都存在開關延時現象，容易導致同一橋臂上的兩個開關管出現直通現象；所以，在對直流電動機進行方向控制時，通常采用單極性驅動可逆系統，其具體電路如圖4所示。

圖中，PWM1為PWM脈沖輸入控制端，Turn1為電機旋轉方向控制端。該電路工作過程如下：當Turn1=0時，VT1、VT4截止，VT3受PWM控制信號控制，VT2為常開，此時直流電動機反轉；當Turn1=1時，VT2、VT3截止，VT1受PWM控制信號控制，VT4為常開，此時直流電機正轉。

圖4 單極性驅動可逆系統電路

5 結束語

本文以MCS-51單片機為核心，采用PWM脈寬調制法實現了直流電動機的方向及速度控制。重點介紹了PWM脈寬調制法的原理及實現方法。系統所采取的PWM脈寬調制法及相應的硬件設計措施具有一定通用性，也可用于其他直流電機控制系統中。

[1]王洪慶.微型計算機控制技術[M].北京：機械工業出版社.2008

[2]龍威林,等.單片機應用入門[M].北京：化學工業出版社.2008

[3]馬江濤.單片機溫度控制系統的設計及實現[J]. 計算機測量與控制.2004，12(12):1219-1221

[4]王曉明.電動機的單片機控制[M]. 北京：北京航空航天大學出版社.2002

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.048

王瑾（1974-），女，陜西咸陽人，碩士研究生，副教授，陜西工業職業技術學院信息工程學院教師，研究方向為控制理論與控制工程。