基于脈沖寬度調制的直流電機控制方法研究與設計

隋美麗，夏征，龍建，王楠

（1.北京電子科技職業學院 汽車工程學院，北京 100176；2.中油管道檢測技術有限責任公司，河北 廊坊 065000）

基于脈沖寬度調制的直流電機控制方法研究與設計

隋美麗1，夏征2，龍建1，王楠1

（1.北京電子科技職業學院 汽車工程學院，北京 100176；2.中油管道檢測技術有限責任公司，河北 廊坊 065000）

通過對脈寬調制（PWM）控制直流電機轉速的方法進行了研究，以STC12C5201AD單片機為主控芯片，并對控制電路進行了設計，通過H橋驅動電機，為平滑調速提供了一種解決方案，該調速方法具有靈活性強、控制精度高、調節范圍廣，具有較強的實用性。

脈寬調制；直流電機；控制

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-46-03

1、緒論

隨著電子技術數字化、智能化的發展，直流電機調速技術也快速發展。直流電機調速方法通常有直流電壓直接供電，通過簡單的調速電路改變電機的內阻來改變直流電機的電壓降實現電機的調速，但該調速的方法調速不精確。還有一種調速方法由發電機帶動電動機調速，這種調速方式調速性能較好，缺點是系統本身龐大，成本較高[1]。自PWM調速技術出現以來，迅速被應用于直流電機調速領域中，并且其在性能方面、成本方面以及操作方面表現出了很多優勢，因此得到了廣泛應用[1]。

2、PWM控制的基本原理

PWM（Pulse Width Modulation）脈沖寬度調制技術，通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。從宏觀上講，PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，來達到輸出控制要求的一種電壓調整方法。PWM應用范圍廣泛，如電機調速、溫度控制、壓力控制等[2][3]。在PWM驅動控制的調整系統中，通常是按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短，又被稱為“開關驅動裝置”，如可以通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電機的轉速。

占空比是指在輸出的PWM中，高電平保持的時間與該PWM的時鐘周期之比。PWM的占空比決定輸出到直流電機的平均電壓，通過調節方波高電平和低電平的時間比來實現。如一個PWM的頻率是1000Hz，那么它的時鐘周期為1ms，如高電平出現的時間是200us，低電平的時間是800us，其占空比為200:1000，即1:5，此時會有20%的高電平時間和80%的低電平時間；而一個60%占空比的波形則具有60%的高電平時間和40%的低電平時間，占空比越大，高電平時間越長，則輸出的脈沖幅度越高，即電壓越高。因此，可以通過調節占空比來實現調節輸出電壓的目的，并且可以實現無級連續調節。

3、PWM調速實現方法

3.1 直流電機速度計算

設直流電機接通電源時，轉速最大為Vmax，PWM周期為T，高電平持續時間為t，如圖1所示，則占空比η為：

電機的平均轉速度Vη為：

圖1 PWM占空比

由以上公式可知，占空比與電機轉速呈線性關系，可以很方便地通過改變占空比來調節電機平均轉速。

3.2 利用延時法實現PWM控制

本文主要介紹采用STC15C5201AD單片機產生PWM信號的軟件實現方法。如果對占空比要求不太嚴格，可采用延時方式，如果需要嚴格定時，則可采用定時器中斷方式。小車電路如圖2所示，分別用P1.6、P3.5和P2.1、P3.7控制兩個后輪。小車后輪正反轉控制真值表如表2、表3所示。

圖2 小車電路圖

表1 小車后輪1正反轉控制真值表

表2 小車后輪2正反轉控制真值表

如采用一般的延時方法來實現小車的正反轉，優點是程序實現代碼簡單，不需要使用定時器，節省系統硬件資源，不需要考慮晶振頻率，易于理解與編程，缺點是CPU會把大部分時間消耗在延時上，如果還有其他邏輯運行，會使延時精度降低，并影響系統響應速度。但在系統硬件資源緊張的情況下，延時方式不失為一種較好的解決方案。利用延時方式實現電機正反轉和延時，只要改變參數speed就可改變PWM的占空比。設計程序時將一個周期分為了20份，高電平與低電平采用互補形式，可實現占空比在0%～100%范圍內調節。

3.3 利用定頻調寬法實現PWM控制

直流電機調速一般可以采用定寬調頻、調寬調頻、定頻調寬三種方法改變占空比的值，但是前兩種方法在調速時改變了控制脈寬的周期，當控制脈沖的頻率與系統的固有頻率接近時將會引起振蕩，因此常采用定頻調寬法改變占空比的值，從而改變直流電動機電樞兩端電壓。定頻調寬法的頻率一般在800～1000Hz。

利用控制定時器初值，可以實現輸出不同占空比的PWM。我們利用單片機內部的定時器，結合定時器的工作方式和系統晶振，來確定定時器的初值。若時鐘頻率為f，定時器/計數器為n位，則定時器初值與定時時間的關系為：

式中，t表示定時時間；n表示定時器的位數；n0表示定時器的計數初值；N表示單片機一個機器周期需要的時鐘數；f表示單片機晶振頻率。

如果選用兩個定時器，一個用來控制高電平時間，另一個控制低電平時間，可以很容易達到要求，但會浪費單片機定時器資源。為此我們可以利用一個定時器來分別控制高電平和低電平持續的時間來調節占空比，從而達到控制電機轉速的目的。

系統中，STC12C5201AD單片機的晶振為22.1184MHz，采用定頻調寬法，產生一個周期為1毫秒，占空比為1/5的PWM信號，采用T0（方式0）中斷方式由P1.0輸出一個PWM信號。

4、結論

通過單片機產生PWM脈沖來實現電機調速具有靈活性強、控制精度高、調節范圍廣、穩定性高、成本低等特點，簡化了系統結構，能夠充分發揮單片機的效能。由于單片機的管腳驅動能力有限，不能直接驅動直流電機，在本系統中，利用定頻調寬等方法產生PWM信號，通過H橋驅動電機，為平滑調速提供了一種解決方案，有很強的實用性。

[1] 焦玉朋.基于51單片機的PWM直流電機調速系統[D]. 呼和浩特:內蒙古大學,2013.5.

[2] 李永東,高躍.變頻世界[J]. 2006.3:6-13.

[3] 司明.一種開關電源PWM控制電路設計[D].沈陽:遼寧大學2013.

Research and Design of DC Motor Control Method Based on Pulse Width Modulation

Sui Meili1, Xia Zheng2, Long Jian1, WangNan1
（1. School of Automotive Engineering, Beijing Polytechnic, Beijing 100176; 2. China Petroleum Pipeline Inspection Technologies Co. Ltd, Hebei Langfang 065000）

By controlling the pulse width modulation (PWM) method, the speed of DC motor is studied, using STC12C5201AD microcontroller as the main control chip, and the control circuit are designed through the H bridge drive motor, provides a solution for smooth speed regulation, the speed control method has strong flexibility, high control precision, wide adjustment range, With strong practicability.

PWM; DC motor; Control

U462.1

A

1671-7988 (2017)08-46-03

隋美麗（1978.11- ）女，講師，博士。就職于北京電子科技職業學院。主要從事汽車電子、車輛工程等方面的研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.015