直流電機(jī)PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭小龍（曲阜師范大學(xué)工學(xué)院,山東 日照 276800）

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直流電機(jī)PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭小龍
（曲阜師范大學(xué)工學(xué)院,山東 日照 276800）

摘 要：旋轉(zhuǎn)電機(jī)的形式主要有三種：直流電機(jī)、異步電機(jī)、同步電機(jī)。其中，直流電機(jī)由于具有較為完善的啟動(dòng)性能和寬廣平滑的調(diào)速特性在生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文對直流電機(jī)的調(diào)速方法進(jìn)行了分析，重點(diǎn)對PWM控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；PWM；調(diào)速

0 引言

直流電機(jī)是形成最早的一種電機(jī)形式，廣泛應(yīng)用于交運(yùn)、航天、自動(dòng)化等各種領(lǐng)域中。早期的直流電機(jī)控制系統(tǒng)由各種非線性電子電路組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能單一，限制了其應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（Pulse-Width Modulation，簡稱PWM）逐漸成熟，在很大程度上帶動(dòng)了直流電機(jī)的發(fā)展。PWM的主要原理是通過控制半導(dǎo)體器件的通斷來產(chǎn)生一系列幅度相同、寬度不等的矩形波，根據(jù)等面積定則可以通過控制這些矩形波的寬度來模擬各種形式的信號，即PWM通過控制半導(dǎo)體器件的通斷時(shí)間來控制輸出電壓的幅值和頻率。

隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，采用芯片對直流電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)逐漸得到應(yīng)用。芯片在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的主要作用是產(chǎn)生PWM調(diào)制信號，還具有一定的其他控制功能。單片機(jī)以其占地面積小、能耗低、價(jià)格便宜、使用簡便而成為直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的第一選擇。

1 直流電機(jī)的調(diào)速方法

根據(jù)直流電機(jī)的基本工作原理，其轉(zhuǎn)速主要由三個(gè)條件決定：端電壓U、主磁通Φ和電樞回路內(nèi)阻R，根據(jù)這三個(gè)條件可以將直流電機(jī)的調(diào)速方法分為三種。

（1）改變端電壓U調(diào)速。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其端電壓U正相關(guān)，調(diào)節(jié)端電壓U的高低可以連續(xù)得調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的快慢，在調(diào)節(jié)的過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩近似保持恒定。采用這種方式，可以獲得比較快的響應(yīng)速度和比較平滑的速度特性，但是需要裝置額外的可調(diào)電源，價(jià)格較高。

（2）改變主磁通Φ調(diào)速。通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If的大小可以方便得控制電機(jī)主磁通Φ的高低，進(jìn)而改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在調(diào)節(jié)的過程中，直流電機(jī)的電磁功率近似保持恒定。采用這種方式，可以獲得比較平滑的速度特性曲線，但是只能使電機(jī)的速度由低到高變化而不能使轉(zhuǎn)速降低，并且響應(yīng)速度較慢。

（3）改變點(diǎn)數(shù)回路內(nèi)阻R調(diào)速。改變電樞回路的內(nèi)阻R，可以間接改變端電壓U的大小，進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。采用這種方式，具有價(jià)格低廉、操作簡單的優(yōu)勢，但是不能獲得平滑的轉(zhuǎn)速特性，機(jī)械特性較差，在啟動(dòng)的過程中基本上無法發(fā)揮作用，并且外接電阻會(huì)消耗額外的能量。因此，這種方式的使用場合很少。

綜合比較以上幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用改變電樞電壓的方式進(jìn)行調(diào)速。根據(jù)上文的分析，采用這種方式需要配備大容量的可調(diào)電源，本文通過PWM電路實(shí)現(xiàn)。

2 PWM調(diào)速系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及基本原理

（1）系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。本文采用STC89C52RC型單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號對直流電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的主要功能有五個(gè)：電機(jī)的啟動(dòng)、停止、加速、減速、反轉(zhuǎn)。根據(jù)系統(tǒng)的功能可以將其分為三個(gè)主要部分：輸入、控制、輸出。輸入部分可以通過選擇直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；控制部分的主體為STC89C52RC型單片機(jī)，還包括其他的輔助電路；輸出部分主要有液晶數(shù)碼顯示器組成，主要作用是讀取PWM電路的占空比，可以方便得了解電路的運(yùn)行狀態(tài)。輸入部分和輸出部分構(gòu)成比較簡單，本文主要對控制部分進(jìn)行分析。

（2）PWM調(diào)速原理。PWM通過控制電力電子器件的通斷，產(chǎn)生一系列幅值相同、寬度不等的矩形波，對直流電機(jī)進(jìn)行控制。圖1給出了PWM調(diào)速的基本結(jié)構(gòu)。

圖1給出的PWM電路結(jié)構(gòu)為雙極性，即電路的輸出只有兩種形式的電平。電路的主要元件為VT1、VT2、VT3、VT4四個(gè)晶閘管，通過控制其所在支路的通斷時(shí)間，即可自由控制直流電機(jī)兩端的電壓。VT1和VT4所在支路導(dǎo)通時(shí)，電樞供電電壓UAB為正，VT2和VT3所在支路導(dǎo)通時(shí)，電樞供電電壓UAB為負(fù)，兩條支路的控制信號互補(bǔ)，并且留有一定的死區(qū)時(shí)間。通過控制VT1和VT4所在支路和VT2和VT3所在支路的通斷時(shí)間比例，即占空比的高低，即可以方便得控制PWM電路輸出矩形波的等效正弦電壓的幅值，進(jìn)而控制直流電機(jī)電樞回路的供電電壓。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文的設(shè)計(jì)為基于STC89C52RC型單片機(jī)的直流電機(jī)PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)，本章將對系統(tǒng)各模塊的硬件構(gòu)成進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）STC89C52RC型單片機(jī)介紹。STC89C52RC型單片機(jī)是由我國宏晶科技有限公司生產(chǎn)的一種8為STC增強(qiáng)型8051系列單片機(jī)。篇幅所限，STC89C52RC型單片機(jī)各管腳的功能本文不再贅述，具體見參考文獻(xiàn)5。

（2）系統(tǒng)電源。系統(tǒng)中的STC89C52RC型單片機(jī)及控制部分中的其他輔助電路均采用DC-5V供電電源，但是直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路供電電源為DC-12V，所以，系統(tǒng)中還需要設(shè)置一個(gè)將可以實(shí)現(xiàn)直流電壓變換的電路。本設(shè)計(jì)選擇使用線性穩(wěn)壓電源實(shí)現(xiàn)此功能。其工作原理見圖2。

從圖2可以看出，系統(tǒng)所采用的直流電壓變換器具有兩個(gè)輸出，電路結(jié)構(gòu)非常簡單，并且具有穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點(diǎn)，還能夠在一定程度上抵抗交流側(cè)輸入電壓的不正常波動(dòng)。

（3）PWM輸出。PWM信號的產(chǎn)生主要由系統(tǒng)控制部分的STC89C52RC型單片機(jī)完成，在P3.7端口生成一系列幅值相同、寬度不等的矩形波。關(guān)于矩形波的形式，本文采用周期恒定、占空比改變的方式，通過調(diào)節(jié)占空比的高低來控制直流電機(jī)電樞兩端電壓U的大小，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速連續(xù)變化。

（4）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。本文采用L298芯片對直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)。由于STC89C52RC型單片機(jī)P3.7端口產(chǎn)生的矩形波幅值較小，所以不能直接將其加在電機(jī)兩端進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，需要加設(shè)一些輔助電路對矩形波的幅值進(jìn)行放大，L298芯片即可完成此功能。L298芯片工作于單極性方式，即直流電機(jī)電樞供電電壓極性保持不變。STC89C52RC型單片機(jī)P3.7端口的輸出作為L298芯片的是能信號，控制其工作與否，間接控制直流電機(jī)的端電壓高低進(jìn)行調(diào)速。由于本文研究的對象為小容量直流電機(jī)，因此，只需要占用L298芯片的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)端口中的一組即可，另一組引腳可以懸空或通過上拉電阻接高電平。

（5）系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖。圖3為直流電機(jī)PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖，系統(tǒng)的DC-5V和DC-12V供電電源由圖2單獨(dú)給出。

4 結(jié)論

本文對基于STC89C52RC型單片機(jī)的直流電機(jī)PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對系統(tǒng)的控制部分進(jìn)行了分析。系統(tǒng)的控制部分主要由STC89C52RC型單片機(jī)和L298芯片以及供電電源和一些輔助電路構(gòu)成。STC89C52RC型單片機(jī)的主要作用是產(chǎn)生一系列幅值相同、寬度不等的矩形PWM信號波，L298對這些矩形波的幅值進(jìn)行放大，增強(qiáng)對電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。由于能力所限，本設(shè)計(jì)尚存在各種缺點(diǎn)，需要在將來的工作中作進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

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DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.158