基于51單片機定時器的直流電機PWM調速設計

陳靈方,秦翠蘭,王立強,張 鵬

(新疆理工學院,新疆 阿克蘇 843100)

運用PWM原理進行調速是直流電機調速的主要方式之一。現代汽車中大量采用了電氣設備,如自動雨刷、自動燈光、自動落鎖、電子駐車等機構,為了使車輛部件機構達到更好的人機工程學和性能要求,這些電子設備大多含有可進行直流調速的驅動器件[1]。電動汽車兩擋變速器中,換擋過程采用直流電機作為換擋動作驅動器,在變速器的換擋性能試驗中通過改變換擋電機轉速來實現不同工況下換擋過程的品質優化,而換擋電機的轉速調節采用PWM直流調速。本研究基于89C52RC單片機的定時器功能來實現直流電機的調速系統設計。

在圖1a中,如果將開關S按照周期T進行反復閉合與斷開,每次閉合時間為ton,電機兩端的電壓也將呈現周期性變化,如圖1b所示。

圖1 PWM電壓等效原理Fig.1 PWM voltage equivalence principle

此時電機兩端的等效電壓為:

通過上式可以看出,PWM直流電機調速實質是變電壓調速,通過控制時間ton即可實現電動機兩端的等效電壓調整,從而實現電動機調速[2]。

1 基于單片機控制系統的設計

1.1 系統硬件的設計

系統采用89C52RC單片機作為主控芯片,選用ULN2003達林頓管驅動芯片直接驅動直流電機,硬件電路原理如圖2所示。

圖2 電路原理Fig.2 Circuitry principle

電路中,鍵KEY1為加速按鍵,鍵KEY2為減速按鍵,分別接在P3.0和P3.1端口,低電平有效。由P2.0產生PWM波形,經ULN2003驅動芯片后驅動直流電機運行。

1.2 控制系統程序流程的設計

基于51系列單片機的PWM脈寬調制有兩種方式實現[3]:一種是通過程序計時的方式產生,此種方法程序邏輯直觀,但程序在執行過程中不能執行其他操作,否則會引起脈寬周期的劇烈變化,造成脈寬調制波精度不高;另一種是通過單片機定時器功能實現,在定時器功能開啟期間不影響單片機進行鍵盤掃描等操作,產生的脈寬調制波精度高,單片機執行效率高。本設計采用單片機定時器功能,為了更加直觀精確控制程序流程,采用匯編語言進行編程來實現高精度的PWM調速[4],程序流程如圖3所示。

圖3 PWM直流電機調速程序流程Fig.3 Flow of PWM DC motor speed regulation program

在本系統中,通用寄存器R0存儲脈寬定時數據,鍵KEY1或鍵KEY2通過鍵盤掃描程序檢測是否被按下,若被按下則增加或減小通用寄存器R0的值,每次脈寬調節及時將R0的值傳送給TL0,使T0的定時器計數初值發生改變,實現脈寬的調節。

1.3 PWM周期的確定

對于直流電機來說,要保持電機穩定的調速性能,PWM頻率需大于1 kHz[5]。對于采用51系列單片機定時器功能輸出PWM波形,需要單片機的定時周期不能大于1 ms,若單片機采用12 MHz晶振,則機器周期為1 μs,定時器計數要小于1000。

單片機定時器T1用來控制PWM的周期(頻率),采用方式2,即自動重裝8位定時器,最大計數值為255,滿足直流電機PWM調速的頻率要求。系統的理論PWM頻率為:

1.4 中斷系統設計

單片機定時器T1的工作方式采用方式2,定時器T0的工作方式均采用方式1,PWM波的周期由定時器T1來實現,脈寬由定時器T0來控制,如圖4所示。

圖4 中斷流程Fig.4 Interrupt flow

從圖4可知,脈寬ton必須小于周期T,考慮到單片機的指令執行時間,ton的值要比周期T小幾個機器周期,以便單片機完成定時器初始化、中斷響應等操作,防止ton的值接近周期T時,出現T0計時中斷出現在下一個T1計時周期的情況,造成脈寬調制精度降低。在一個PWM波周期內的時間分布如圖5所示。

圖5 單片機定時器中斷時間分配Fig.5 MCU timer interrupt time allocation

匯編程序如下:

TT0:CLR TR0;1個機器周期

CLR P2.0;1個機器周期

MOV TH0,#0FFH;1個機器周期

MOV TL0,R0;控制調制脈寬,1個機器周期

RETI ;2個機器周期

TT1:SETB P2.0 ;1個機器周期

SETBTR0;1個機器周期

RETI ;2個機器周期

以上程序中,單片機定時器T0的計時初值要比T1至少大6個機器周期。

程序在中斷執行過程中需等待單片機正在執行的指令執行結束才能響應中斷,如果中斷響應遇到乘除法運算(占空比計算需要用到乘除法運算)則需等待的時間最長(4個機器周期),造成PWM波的周期與理論上存在誤差。

1.5 計算占空比

由PWM的等效電壓計算可知PWM的占空比為:

當PWM為最小脈寬時,即理論占空比η=0,即ton為0。此時TH0=0FFH、TL0=0FFH,即R0寄存器的值為0FFH,T0定時器高8位和低8位初值均為255,只需經過一個機器周期就會產生T0的定時中斷。在T1中斷服務程序中,T1一個定時周期內程序運行時間如表1所示。

表1 PWM為最小脈寬時T1一個定時周期內程序運行時間

通過表1可知,在PWM為最小脈寬、T0產生中斷時,單片機正在執行T1的定時器中斷程序結束并啟動T1,因此并不會立馬執行T0中斷服務程序,T0中斷響應將在T1中斷服務程序結束后在T1下一個的定時周期內響應。經分析T0的定時器中斷程序將在5～10個機器周期內執行(包含T0的定時器中斷程序結束并跳轉2個機器周期和跳轉T0的定時器中斷程序3～8個機器周期),這也造成了單片機產生PWM波脈寬在最小值時的不精確。

當PWM為最大脈寬時,即理論占空比η=100%,即ton=T。此時TH0=0FFH、TL0=00H,即R0寄存器的值為00H,T0定時器計數256個機器周期后才會產生T0的定時中斷,此時T0的計時周期與T1的計時周期相同,但在程序執行過程中會出現T0不在當前T1計時周期內中斷程序,而出現在第二個T1計時周期內,這會造成PWM波形的嚴重不精確,在實際實驗中會導致直流電機在逐漸接近100%占空比時,突然出現轉速下降。為消除以上不良情形的出現,定時器T0和T1中斷程序運行時間邏輯在T1一個定時周期內應如表2所示。

表2 PWM為最大脈寬時T1一個定時周期內程序運行時間

通過表2可知,在PWM為最大脈寬時,要保證T0中斷在T1中斷之前響應,就要在T0中斷初值設置時考慮跳轉T1的定時器中斷程序和執行T1的定時器中斷程序的時間(跳轉T1中斷程序3～8個機器周期,P2.0口置位1個機器周期,啟動T0的定時器1個機器周期),共計5～10個機器周期。本系統中有進行乘除法運算,因此跳轉中斷程序可按照最大值10個機器周期計算,需要將定時器T0的初值TL0增加10,此時定時器T0的初值設為TH0=0FFH、TL0=0AH,即定時器T0的初值低8位為10,這樣就保障了T1中斷會在T0中斷結束后產生。在PWM為最大脈寬時,T1定時器也存在中斷響應跳轉時間等,影響PWM波形的精度。

在實際進行程序設計和占空比計算時,由于兩個定時中斷優先級相同,只需要保證在每個PWM周期內,定時器T0一定要先于T1產生中斷就可以正常運行。可近似取在PWM脈寬大時的定時周期作為脈寬周期,此時理論上TL0=00H,在實際程序設計中為了讓T0中斷先于T1中斷發生,便于單片機計算占空比,將TL0設置為06H(TL0=06H),這樣單片機需要在250個機器周期后產生中斷,可認為250個機器周期就是一個PWM周期。占空比計算公式可改為:

式中,@TL0為TL0的當前值,即R0寄存器的當前值。

對于51單片機來說,本身并無浮點運算能力,因此以上對占空比計算公式的改進有利于計算。由于占空比為百分數,因此百分號前邊數字完全可以看作為十進制數,在計算時分別求出各位數字即可。匯編程序如下:

MOV A,R0 ;

MOV R1,#10 ;

MOV R2,#4;

DIV A,R1;百位和十位存入累加器A,余數放入R1

MUL A,R2 ;

MOV R2,#4;

MUL R1,R2;

MOV R2,#10 ;

DIV R1,R2 ;提取進位

ADD A,R1 ;

MOV R5,A

MOV A,#100

SUBB A,R5 ;累加器A中存放的數據為占空比

MOV R1,#10

DIV A,R1;累加器A中存放的數據為占空比的十位數據,R1中存放的數據為占空比的個位數據

獲得占空比的各位數字后,經過LCD或多段數碼管按位進行字符輸出即可。

2 系統仿真與測試

為驗證系統的可行性,實現既定功能,采取軟件仿真進行系統仿真,使用Proteus 8.9軟件對系統進行仿真,如圖6所示。運用仿真軟件的示波器功能,圖6分別展示了占空比為10%、50%、92%時的PWM波形。雖然示波器輸出的PWM波形在理論占空比為0和100%兩種情況下示波器顯示均不是一條直線,但輸出系統的PWM波形經仿真測試可調可控,系統產生的的PWM波形符合預期系統要求。

圖6 PWM波形圖Fig.6 PWM waveform diagram

3 結論

基于89C52RC單片機的定時器功能實現PWM直流電機調速,設計了程序流程,通過分析定時器中斷的執行過程,得到影響PWM精度的主要原因,確定了定時器參數,計算了PWM的占空比。在每個PWM周期內,兩個定時器中斷按照正確順序產生就可保證PWM波的精度,系統才能正常運行,運用軟件仿真驗證該系統的可行性。但在實際系統的設計與測試中發現,不同的PWM波頻率等因素會影響電動機的機械性能,電動機在低占空比的情況下不能克服自身摩擦力矩而處于靜止狀態。針對以上問題,未來需在此設計基礎上進行研究改進。