基于单片机控制的PWM直流调速系统

李伟龙

（西北民族大学 电气工程学院，甘肃 兰州 730030）

1 引言

电力电子技术是以功率处理、电能变换为主要对象的现代工业电子技术，以PWM控制为代表的数字化控制技术的发展和在电力电子技术领域的广泛应用使得电力电子技术产生了脱胎换骨的变化[1]。

PWM技术最初是在无线电技术中用于信号的调制，后来在电机调速中得到了很好的应用[2]。在直流伺服控制系统中，通过专用集成芯片或中小规模数字集成电路构成的传统PWM控制电路往往存在电路设计复杂、体积大、抗干扰能力差以及设计困难、设计周期长等缺点，因此PWM控制电路的模块化、集成化已成为发展趋势[3]。近年来，电气传动的PWM控制技术以成为电气传动自动控制技术的热点之一。

2 系统总体设计

系统由按键输入控制命令给单片机，单片机经过判断和处理发出控制信号送给PWM控制模块，从而经H桥驱动电路根据不同的占空比来控制直流电动机的转速，并且经过光电编码器测速反馈给单片机与给定值比较同时采用LED数码管显示输出，从而根据偏差值发出控制信号实现闭环控制，构成系统框图如图1所示。

图1 系统设计总框图

3 硬件系统设计

3.1 主控电路

主控芯片采用STC89C52单片机，是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。与工业80C51产品指令和引脚完全兼容[4]。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。

3.2 PWM控制模块

在数控机床的直流伺服系统中,速度调节主要通过改变电枢电压的大小来实现[5]。经常采用晶闸管相控整流调速或大功率晶体管脉宽调制调速两种方法,后者简称PWM,常见于中小功率系统,它采用脉冲宽度调制技术,其工作原理是：通过改变接通脉冲的宽度,使直流电机电枢上的电压的占空比改变,从而改变电枢电压的平均值,控制电机的转速[6]。采用PWM实现对电机转速控制具有以下特点：1)主电路简单,所用功率元件少；2)开关频率高,可避开机床的共振区,工作平稳；3)采用功率较小的低惯量电机时,具有高的定位速度和精度；4)低速性能好,稳速精度高,调速范围宽；5)系统频带宽,动态响应好,抗干扰能力强。

3.3 电机驱动模块

要实现以上的功能，应用比较广泛的是由四个开关管构成的H型桥式驱动电路。这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。其电路图如图2。

图2 H桥驱动原理

可根据需要对四个开关管进行控制，使其能实现可逆调速的功能。使全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，Q1、Q4为一组，Q2、Q3为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。当Q1、Q4导通时，Q2、Q3关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当Q2、Q3导通时，Q1、Q4关断电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。

3.4 测速模块

光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，由光栅盘和光电检测装置组成[7]。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

3.5 LED显示模块

本系统使用四位共阳数码管显示直流电动机的转速，为了节省I/O口，我们使用74LS47来把四位的BCD码转换成七段LED显示。

4 软件系统设计

应用系统中的各应用软件是由系统功能要求而设计的，能够可靠地实现系统的各种功能。本系统的软件主要包括以下几个程序模块：初始化程序；键盘扫描程序与处理程序；定时器0服务程序；PWM信号发生程序；测速子程序模块；显示子程序模块。主程序流图如图3所示。

系统经过初始化后读取键值，根据设计好的不同的按键的值，对系统发出不同的控制命令，从而实现系统的转速控制，由测速模块每次反馈的值与设定值比较，并且采用PID控制算法通过对参数的整定，可以使直流电机的输出能在较短的时间内达到设定值的要求，并且在整个过程能够保持良好稳定的运行，完成系统的控制要求。

图3 主程序流程图

5 结论

本文所述的直流电机闭环调速系统是以单片机STC89C52为核心，而通过单片机来实现电机调整又有多种途径，相对于其他用硬件或者硬件与软件相结合的方法实现对电机进行调整，采用PWM软件方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本，它能够充分发挥单片机的效能，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2007

[2]李荣生主编，电气传动控制系统设计指导[M].北京：机械工业出版社，2004

[3]吴守箴，臧英杰.电气传动的脉宽调制控制技术[M].北京：机械工业出版社，1995

[4]韩全立，王建明.单片机控制技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2004

[5]李发海，王岩.电机与拖动基础[M].北京：清华大学出版社，2005

[6]陈伯时主编,自动控制系统——电力拖动控制[M].北京：中央广播电视大学出版社，1992

[7]王家桢，传感器与变送器[M].北京：清华大学出版社,1996