基于MC9S12XS单片机的直流电机PWM调速系统设计

叶继英，沈晓群，李莉莉

（浙江海洋学院机电工程学院，浙江舟山 316004）

近年来，PWM（Pulse Width Modulation）技术在整流电路中开始应用，并显示出了突出的优越性。脉冲宽度调制PWM是产生精确脉冲序列输出和实现D/A转换的有效办法，微控制器的脉宽调制模块被广泛应用于工业控制和新型消费机电产品中（如智能空调、节能冰箱等）。PWM信号通过软件编程调节波形的占空比、周期和相位，能够用于直流电动机调速、伺服电动机控制、D/A转换器等应用[1]。本文以直流电动机的调速系统为例，详细分析PWM技术在其中的应用。

1 调速系统的方案论证

直流电动机的调速方法有电枢串联电阻、弱磁调速以及改变电枢电压三种。电枢串联电阻后，在电阻上流过电枢电流产生压降，电枢端电压随之减低，但是这种调速方法不经济，当η=0.5时，由电网吸取的功率有一半消耗在电枢总电阻上。弱磁调速的优点是控制功率较小，能量损耗小，但在高速时受到换向火花的限制，而低速时磁通较大，电动机的体积及耗费的材料需增多，不经济。改变电枢电压，比如采用晶闸管直流装置，可得一组平行的特性，速度与电压成正比，并具有相同的斜率β[2]。

随着计算机控制技术的发展，微控制器可以方便的产生PWM信号，能够代替电力电子器件组成的复杂电路。本文采用MC9S12XS128单片机产生PWM脉宽调制波。

MC9S12XS128单片机是16位机，内部具有独立的脉冲宽度调制模块PWM，也就是比起MC51系列的单片机来说不会占用定时器模块，使用时极少占用CPU资源。MC9S12XS128的PWM模块具有8路8位独立PWM通道，精度是1/256。当处于级联模式时，8个8位PWM通道通过两两级联构成4个16位的PWM通道，精度是1/65 536，以一个5 V的电源为例，每刻度能够精确到76.3 μV，可以实现直流电动机的无级调速，减少对电网的冲击。

2 硬件设计与实现

主芯片采用MC9S12XS128，两路PWM通道信号控制直流电动机的前进、后退以及停止，编程可实现。要驱动、控制一个直流电动机需要设计直流电动机驱动电路，既可以使用分立的功率元件搭建驱动电路，也可以使用集成的直流电动机功率驱动芯片。

图1为分立功率元件搭建的驱动电路，工作时V1和V2通断状态互补，V3和V4的通断状态也互补，Ub1～Ub4是PWM控制信号[3]。本文采用集成驱动芯片MC33887，以此来简化电路。

MC33887是一块集成的直流电动机H桥功率驱动芯片，它的内部具有负载电流反馈，利用MC9S12XS128的ADC模块对其进行采样，实时监控H桥的高边工作电流值，最终实现对直流电动机的速度和转矩的闭环控制。为了防止电机输出电流对电源的冲击，在电源输入端口（7.2 V）并联一个电容。当PWM7输出时，通过MC33887驱动后OUT1输出控制信号，直流电动机正转；当PWM5输出时，通过MC33887驱动后OUT2输出控制信号，电机反转；当PWM5、PWM7无输出时，电机停转。要实现驱动电流有余量，可以并联一块MC33887芯片。

图1 分立元件单相桥式PWMFig．1 Single phase bridge PWM of discrete element

图2 MC33887驱动直流电动机原理图Fig．2 MC33887 for DC motor control schematic

3 软件设计与实现

系统程序由主程序和几个子程序组成，按照系统需要实现的功能来划分每个模块，如总线时钟初始化、PWM初始化、直流电动机的正转、反转等。本文给出总流程图和PWM模块流程图，总线时钟模块流程图及编程略[4]。

图3 程序流程图Fig．3 Program flow chart

下面以MC9S12XS128芯片晶振16 MHz为例，实现输出占空比为25%，频率为5 000 Hz的PWM波，驱动直流电动机正转。利用MC9S12XS128芯片的内部锁相环（IPLL）功能，使总线时钟频率达到32 MHz，编程可实现。PWM初始化模块中PWMPRCLK预分频为4，则时钟Clock B频率为8 MHz；分频因子PWMSCLB为4，根据公式（2）可得时钟Clock SB为1 MHz，即通道时钟周期为1 μs。

PWM极性为1，左对齐输出波形如下图所示。当PWMCNT计数器加法计数到通道占空比PWMDTY中设置的数值时，PWM通道输出波形从高电平变成低电平；当PWMCNT计数器加法计数到通道周期寄存器PWMPER中设置的数值时，PWMCNT清零，输出波形电平翻转，如此反复，输出PWM波。

根据公式（3），当时钟周期PWMPERx为200时，可得PWMx周期为200 μs，即输出的PWM波形频率为5 000 Hz。要使得到的占空比为25%，根据公式（4），则PWMDTYx应为50。由此可知，只需改变PWMDTYx的值，就可以得到不同的占空比，从而改变电压值，控制直流电动机的转速。左对齐方式输出（CAEx=1）：

当PPOLx=1时，PWM占空比公式如下：

图4 左对齐PWM波形Fig.4 Left aligned output PWM

PWM控制电机速度的程序如下。要得到所需的占空比，只要改变函数Motor_forward(i)中的变量i即可。

4 结论

该系统利用MC9S12XS128单片机生成PWM信号，通过集成驱动芯片MC33887驱动直流电动机，实现数字式的PWM直流电机调速系统，相对于传统的基于硬件组成的PWM调速系统，成本相对得到降低；同时系统的控制精度得到提高。该系统具有可靠性高，调试、运行比较方便的特点，整个系统具有一定的实际应用价值。

[1]张 阳,吴 晔,滕 勤,等.MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发[M].北京：电子工业出版社,2011.

[2]顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京：机械工业出版社,2004.

[3]王兆安,黄 俊.电力电子技术[M].第4版.北京：机械工业出版社,2005.

[4]王宜槐,曹金华.嵌入式系统设计实战——基于飞思卡尔S12X微控制器[M].北京：航空航天大学出版社,2011.