單片機控制的PWM直流調速系統設計

雷金莉

摘要：為提高直流調速系統的控制精度和節約開發成本，提出一種以單片機STC89C54RD+為核心的PWM調速器設計方案。利用單片機產生PWM信號，采用雙閉環PI控制調節PWM信號的占空比，以改變直流電機電樞電壓，從而調節轉速。運用Proteus和Keil進行了軟硬件仿真實驗，結果表明：所設計電路能產生正確的PWM信號，實現電機調速，且可以節約開發成本。

關鍵詞：單片機;PWM;直流電機;Proteus仿真

一、引言

直流電機具有良好的起動、制動和調速性能，廣泛的應用于工業、航空航天、交通運輸等領域[1]。脈寬調制（PWM）直流調速方法，具有精度高、響應快、調速范圍寬，易于實現等特點[2]，成為直流調速系統最常用的調速方法。本文給提出一種以STC89C54RD+單片機為核心，結合L298 驅動構成的直流雙閉環PWM 調速實現方法。

二、PWM調速方法

（一）直流電機調速原理

直流電機的轉速可通過電樞控制法和磁場控制法來調節。電樞控制法通過改變電樞端電壓而達到調速的目的，易于實現，因此廣泛應用于直流調速系統中。

PWM調速是根據給定的頻率，調節驅動電路開關器件的接通和關斷時間（占空比），使其輸出電壓的脈沖寬度改變，從而改變了輸送到電樞電壓的幅值，以達到改變直流電機轉速的目的。PWM調速具有控制電路簡單、功耗小、響應快以及控制精度高等優越性。

（二）PWM調速的控制方法

PWM調速是調節脈寬的寬度以實現調節輸出電壓。占空比越大，輸出的脈沖幅度越高，即電壓越高，電機的轉速升高。PWM常用的控制方法有三種：定寬調頻、定頻調寬和調頻調寬。

定寬調頻和調頻調寬調制方法都改變了時間總周期（頻率），可能會使得控制頻率與系統的固有頻率相接近，很容易造成系統的振蕩。定頻調寬方式不改變信號頻率，可以保證系統的穩定性，因此，設計中采用定頻調寬PWM方法。

三、硬件設計

近年來，隨著微電子技術的發展，PWM控制器向著集成化、小型化和智能化方向發展。本設計以單片機STC89C54RD+為核心設計了一個直流電機調速系統。

（一）PWM直流電機調速系統的組成

直流電機調速系統的結構框圖如圖1所示，系統主要由單片機系統、電機驅動電路、轉速檢測和鍵盤顯示電路組成。轉速檢測電路測得電機的當前速度通過輸入口 反饋到單片機中，單片機將反饋的轉速與系統給定的電機速度進行比較，所得的偏差經過轉速、電流雙閉環PI調節，得出控制量，以PWM 的形式輸出，經過電機驅動電路進行功率放大，驅動直流電機。

（二）PWM驅動電路

PWM信號從單片機的P1口輸出，控制器根據給定的電機轉速和檢測電路反饋的電機轉速的差值來確定定時計數器的計數值，從而調節PWM信號的占空比。本系統采用H橋式驅動電路驅動電機。

四、軟件設計

程序由主程序、初始化子程序、轉速檢測子程序、PWM生成子程序等組成。調速系統的工作流程是：系統上電，初始化完成后，轉速檢測子程序獲取實時轉速，PWM生成子程序把給定速度與實際速度進行比較，采用PI控制算法生成控制量，該控制量用來調控PWM的占空比經驅動模塊功率放大后驅動電機。

五、仿真實驗

為驗證所設計的系統的有效性，采用Proteus進行仿真，仿真實驗用直流電機供電電壓為12V，可通過顯示器觀察電機的實時轉速，也可通過程序設置顯示實時的PWM占空比。圖2是占空比為30%時輸出的PWM信號。

通過仿真實驗可以看出，所設計的調速系統可實時觀測到系統的占空比和電機轉速，當占空比變化時，PWM波形隨之發生變化，電機的轉速也隨之改變，達到調節電機轉速的目的。

六、結論

本文以單片機STC89C54RD+為核心設計了一個直流電機PWM調速系統，運用PI控制算法調節。通過仿真軟件Proteus和Keil軟件進行了軟硬件的仿真實驗，仿真實驗結果表明：所設計的直流調速系統能夠通過改變PWM信號的占空比來實時調整電機轉速。

參考文獻：

[1] 司開波，黃健，呂林濤. 基于STM32的直流電機調速新方法[J]. 宇航計測技術， 2018， 38（02）： 87-91.

[2] 黃健. 基于PI控制的直流電機調速控制系統的研制[J]. 宇航計測技術， 2017， 37 （06）： 75 -78+87.

[3 ] 李瑾. 基于51單片機的PWM直流調速風扇控制系統[J]. 機械工程與自動化， 2018（01）： 187-189.

[4]? 徐敬成，凌云，李明，侯文浩. 新型直流電機PWM調速裝置設計[J]. 新型工業化，2018，8（07）： 12-16.