基于單片機的電動機轉速/電流控制系統設計

賈文哲

摘要：隨著現代社會的不斷發展，對機械自動化的要求也越來越高，對于單片機而言，對其位置和時間的精確度也提出了更高的要求，因此，如何提高電機的運動速度是現代社會電機的一個重要課題。本次研究以89C52單片機為核心，用C語言進行編程控制，采用單片機內部定時器產生可調的矩形波，依據直流電動機的工作原理和數學模型以及脈寬調制（PWM）控制原理和H橋電路基本原理設計了驅動電路，采用了PWM技術對電動機進行控制，通過對占空比的計算達到精確調速的目的。

Abstract： With the continuous development of modern society， there are increasing requirements for mechanical automation. For singlechip， there are higher requirements for the accuracy of the location and time. Therefore， how to improve the speed of the motor is an important subject of motor in modern society. This study takes 89C52 singlechip as the core， uses C language for programming control， produces adjustable square wave by the MCU internal timer， and designs the drive circuit based on the working principle and mathematic model of continuous current motor and Pulse width modulation （PWM） control principle and the basic principle of H bridge circuit. It adopts PWM technology to control the motor and achieves the goal of precise speed control through duty cycle calculation.

關鍵詞：PWM調速；H橋電動機驅動；電動機測速；89C52單片機

Key words： PWM speed regulation；H bridge motor drive；motor speed；89C52 singlechip

中圖分類號：TM32 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）08-0247-03

0 引言

在運動控制發展的歷程中，交、直流兩大電機構并存于各個工業控制領域，隨著各個時期科學技術的發展，它們所處的地位、所起的作用不同，但它們始終隨著工業技術的發展而不斷的提高性能，特別是在電力電子和微電子技術日益發展的今天，PWM調試方式的產生促使這兩大電機的調速方式上逐漸進入了一個新的時代。

1 硬件電路設計

1.1 硬件設計總體框圖（圖1）

系統主要采用89C52單片機為主控芯片，單片機讀取按鍵值，然后控制電動機正轉，反轉，啟動，停止，調速，以及速度的測量。

1.2 電源電路設計

電動機驅動系統中，供電電源為系統的正常工作提供能源，本系統主要是采用5V電源給單片機供電，12V電源給電動機供電，直流電主要是市電通過整流，濾波，穩壓得到5V直流電源以及12V電源。

供電電路采用的是直流線性穩壓器組成。其中，交流電經過變壓器變壓得到電壓UAC，根據單相橋式整流電路的特性，我們可以計算出整流以后的電壓UO，UO是整流電路的輸出端電壓瞬時值在一個周期內的平均值，根據上圖中的波形可得：

1.3 單片機最小系統

本系統的單片機采用的是89C52單片機，主要采用STC 89C52RC單片機，STC 89C52RC 是一種CMOS 8位微控制器，具有高性能、低功耗的特點，具備8KB在系統可編程Flash存儲器。

除了上述功能外，單片機還具有一些其它的特殊功能，由特殊寄存器來負責設置。

1.4 直流電機PWM調速控制原理

直流電機改變電壓調速就是改變電樞繞組端電壓的調速。在直流調速系統中，通常電樞電流的時間常數很小，這就要求電流內環需有足夠高的采樣頻率，在實際的操作中采用較高的采樣頻率是可行的。所以電流調節器通常能夠采用間接方法設計，首先依照連續系統設計，然后再將得到的結果數字化。對于轉速的采樣頻率，由于該數值過高或者過低都會影響到系統的安全性，所以必須對轉速低采樣頻率進行合理選值，保證系統的正常運行。

電動機驅動電路采用H橋式驅動，圖中用三極管組成H型平衡橋，驅動功率大，驅動能力強。同時H型PWM電路工作在晶體管的飽和狀態與截止狀態，具有非常高的效率。圖中兩個光電耦合器起隔離作用，因為電動機驅動電壓為12V，單片機的工作電壓為5V，若三極管的基極直接與單片機相連，會燒壞單片機，所以必加一個光電耦合器，隔離兩邊的電壓，由于光電耦合器的傳輸速度最高可以達到70kHz，所以光電耦合器可以滿足隔離的要求，同時也可滿足脈沖信號傳遞速度較快的要求。

1.5 H橋電動機驅動電路

圖2中所示這是一個非常常用的電動機驅動控制電路。因為它的形狀和字母H非常相似，因此叫作“H橋驅動電路”。4個三極管組成這個電動機驅動電路。如圖所示，電動機驅動電路H橋式通常包括4個三極管和一個電動機。導通對角線上的一對三極管，則電動機運轉。判斷不同三極管對的導通與否，然后判斷電流的流向，根據電流的流向控制電動機的轉向。

2 軟件設計

2.1 軟件總流程圖

軟件總流程圖如圖3所示。

2.2 PWM調速程序設計

2.2.1 PWM調速程序設計

鍵盤向單片機輸入相應控制指令，由單片機通過P2.0與P2.1其中一口輸出與轉速相應的PWM脈沖，另一口輸出高電平，驅動H型橋式電動機控制電路，實現電動機轉向與轉速的控制。電動機所處速度級以速度檔級數表示。速度分10檔，快慢與電動機所處速度級快慢一一對應。

在程序中通過單片機內部的定時器1和定時器0產生PWM，送出預設占空比的PWM波形。PWM（脈沖寬度調制）是一系列周期固定、占空比可調的脈沖系列，由于周期數必須是每個脈沖的低電平時間和高電平時間之和，因此必須由定時器來控制輸出電平的維持時間。輸出電壓的平均值為：UAV=VCC*TH/（TH+TL）=VCC*TH/T=D*VCC

其中：VCC代表電壓；TL代表低電平時間；TH代表高電平時間；T代表PWM周期。

當VCC固定時，其電壓值取決于PWM波形的占空比D，而PWM的占空比由單片機軟件內部用于控制PWM輸出的寄存器值決定。

2.2.2 基于PID算法的PWM電機調速程序設計改進

PID控制是最早發展起來的控制策略之一，由于其算法簡單，被廣泛應用于過程控制和運動控制中，尤其適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統。為了分析簡便，從常規PID算法入手，PI控制的增量式差分方程為式（1），PI調節器的輸出可由式（2）求得，其中KP為比例系數：KI為積分系數；Tsam為采樣周期。

PI調節器的參數直接影響著系統的性能指標。分析系統過渡過程，在轉速上升時，轉速調節器相當于開環，此時不必進行積分計算，編程只須考慮比例放大作用，當轉速上升接近穩態值時，才進行PI控制，消除穩態誤差，此時的P慮比前階段小。

常規PID控制具有結構簡單、穩定性好、易于編程實現等優點，在高性能的調速系統中，僅僅靠調整P1參數難以同時滿足各項靜、動態性能指標。微機數字控制系統具有根強的邏輯判斷和數值運算能力，我們應充分應用這些能力，再加上對直流電機和控制規律的知識，以智能的方式衍生山多種改進算法，提高系統的控制性能。

3 系統仿真分析

系統仿真采用Protues仿真軟件，Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。

本系統的仿真如圖4所示。

系統仿真結果如圖5所示。

4 結語

本次PWM電機調速系統的研究重對直流脈寬調速系統進行了深入的研究與分析，提出并討論了基于PID算法的電機控制思路，運用此算法可以使直流脈寬調速控制系統精度高，動態響應好，穩定。

89C52單片機是一種適合于常用的51內核微處理器。本次研究充分利用了89C52內含多個定時器的功能，結合直流電動機的特點，設計了結構簡單、保護功能較齊全的PWM電機調速系統。

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