基于單片機控制的PWM直流調速系統

李偉龍

（西北民族大學 電氣工程學院，甘肅 蘭州 730030）

1 引言

電力電子技術是以功率處理、電能變換為主要對象的現代工業電子技術，以PWM控制為代表的數字化控制技術的發展和在電力電子技術領域的廣泛應用使得電力電子技術產生了脫胎換骨的變化[1]。

PWM技術最初是在無線電技術中用于信號的調制，后來在電機調速中得到了很好的應用[2]。在直流伺服控制系統中，通過專用集成芯片或中小規模數字集成電路構成的傳統PWM控制電路往往存在電路設計復雜、體積大、抗干擾能力差以及設計困難、設計周期長等缺點，因此PWM控制電路的模塊化、集成化已成為發展趨勢[3]。近年來，電氣傳動的PWM控制技術以成為電氣傳動自動控制技術的熱點之一。

2 系統總體設計

系統由按鍵輸入控制命令給單片機，單片機經過判斷和處理發出控制信號送給PWM控制模塊，從而經H橋驅動電路根據不同的占空比來控制直流電動機的轉速，并且經過光電編碼器測速反饋給單片機與給定值比較同時采用LED數碼管顯示輸出，從而根據偏差值發出控制信號實現閉環控制，構成系統框圖如圖1所示。

圖1 系統設計總框圖

3 硬件系統設計

3.1 主控電路

主控芯片采用STC89C52單片機，是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。與工業80C51產品指令和引腳完全兼容[4]。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、有效的解決方案。

3.2 PWM控制模塊

在數控機床的直流伺服系統中,速度調節主要通過改變電樞電壓的大小來實現[5]。經常采用晶閘管相控整流調速或大功率晶體管脈寬調制調速兩種方法,后者簡稱PWM,常見于中小功率系統,它采用脈沖寬度調制技術,其工作原理是：通過改變接通脈沖的寬度,使直流電機電樞上的電壓的占空比改變,從而改變電樞電壓的平均值,控制電機的轉速[6]。采用PWM實現對電機轉速控制具有以下特點：1)主電路簡單,所用功率元件少；2)開關頻率高,可避開機床的共振區,工作平穩；3)采用功率較小的低慣量電機時,具有高的定位速度和精度；4)低速性能好,穩速精度高,調速范圍寬；5)系統頻帶寬,動態響應好,抗干擾能力強。

3.3 電機驅動模塊

要實現以上的功能，應用比較廣泛的是由四個開關管構成的H型橋式驅動電路。這種驅動電路可以很方便實現直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。其電路圖如圖2。

圖2 H橋驅動原理

可根據需要對四個開關管進行控制，使其能實現可逆調速的功能。使全橋式驅動電路的4只開關管都工作在斬波狀態，Q1、Q4為一組，Q2、Q3為另一組，兩組的狀態互補，一組導通則另一組必須關斷。當Q1、Q4導通時，Q2、Q3關斷，電機兩端加正向電壓，可以實現電機的正轉或反轉制動；當Q2、Q3導通時，Q1、Q4關斷電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉制動。

3.4 測速模塊

光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器，由光柵盤和光電檢測裝置組成[7]。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。

3.5 LED顯示模塊

本系統使用四位共陽數碼管顯示直流電動機的轉速，為了節省I/O口，我們使用74LS47來把四位的BCD碼轉換成七段LED顯示。

4 軟件系統設計

應用系統中的各應用軟件是由系統功能要求而設計的，能夠可靠地實現系統的各種功能。本系統的軟件主要包括以下幾個程序模塊：初始化程序；鍵盤掃描程序與處理程序；定時器0服務程序；PWM信號發生程序；測速子程序模塊；顯示子程序模塊。主程序流圖如圖3所示。

系統經過初始化后讀取鍵值，根據設計好的不同的按鍵的值，對系統發出不同的控制命令，從而實現系統的轉速控制，由測速模塊每次反饋的值與設定值比較，并且采用PID控制算法通過對參數的整定，可以使直流電機的輸出能在較短的時間內達到設定值的要求，并且在整個過程能夠保持良好穩定的運行，完成系統的控制要求。

圖3 主程序流程圖

5 結論

本文所述的直流電機閉環調速系統是以單片機STC89C52為核心，而通過單片機來實現電機調整又有多種途徑，相對于其他用硬件或者硬件與軟件相結合的方法實現對電機進行調整，采用PWM軟件方法來實現的調速過程具有更大的靈活性和更低的成本，它能夠充分發揮單片機的效能，對于簡易速度控制系統的實現提供了一種有效的途徑。

[1]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2007

[2]李榮生主編，電氣傳動控制系統設計指導[M].北京：機械工業出版社，2004

[3]吳守箴，臧英杰.電氣傳動的脈寬調制控制技術[M].北京：機械工業出版社，1995

[4]韓全立，王建明.單片機控制技術及應用[M].北京：電子工業出版社，2004

[5]李發海，王巖.電機與拖動基礎[M].北京：清華大學出版社，2005

[6]陳伯時主編,自動控制系統——電力拖動控制[M].北京：中央廣播電視大學出版社，1992

[7]王家楨，傳感器與變送器[M].北京：清華大學出版社,1996