用于太阳能发电的直流电机PWM调速控制系统设计研究

杨晨 马丽丽 苏阳 张永鹏

【摘要】太阳能发电的应用越来越广泛。本文研究了利用STC89C52系列单片机控制PWM信号，通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，控制其输入信号波形。采用驱动模块芯片L2989N作为直流电机调速功率放大电路的元件，设计将PWM的占空比输出显示在LED数码显示管上。通过按钮控制占空比，从而实现对直流电机速度的控制。软件方面，提出PWM信号产生程序与数码显示程序的建立方法，以及具体的程序实现，在Proteus上仿真成功之后，最终将实物连接调试出来。结果表明该控制系统具有简单方便、快速响应、性能良好、鲁棒性强的特点。

【关键词】单片机控制;PWM信号;驱动模块;占空比;数码显示管;Proteus仿真

1.引言

直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。本文利用太阳能发电的直流电能，单片机控制PWM信号，通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，控制其输入信号波形。采用驱动模块芯片L2989作为直流电机调速功率放大电路，将PWM的占空比输出显示在LED数码显示管上。通过按钮控制占空比，从而实现了对直流电机速度的控制。在Proteus上仿真成功之后，最终将实物连接调试出来。设计的系统具有简单方便、快速响应、性能良好、鲁棒性强的特点。

2.系统总体及硬件设计

2.1 总体设计方案及选择

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。本设计方案采用单片机输出PWM信号。用单片机控制占空比的数值，精确调整电动机转速。

2.2 系统总体设计框图

本系统采用单片机控制输出PWM信号，经过驱动电路将信号送到直流电机，通过控制PWM输出占空比，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的[1]。如图1所示。

图1 系统总体框图

2.3 硬件选择设计

设电机始终接通电源时，D为占空比，t1为导通时间，T为周期，设占空比为：

D=t1/T                     （1）

则电机的平均速度为：

Vd=Vmax*D                 （2）

其中Vd指的是电机的平均速度，Vmax是指电机在全通电时的最大速度，D=t1/T是指占空比。

本设计中通过单片机输出当前的占空比，在数码显示管中显示出来。由于占空比是0%～100%所以应该有三位数值，但是也可以有两位数码显示：0%～99%。由于电机的正反转也应该在数码显示中体现出来，可以加一位符号显示，即“+”“-”来分别表示电机的正转与反转。但是最后考虑到实际的空间因素，选定了两位数码显示管，显示从0～99。然后通过控制两位小数点的同时点亮与熄灭来分别代表电机的正转与反转。两位共阴显示管。

选用LG5022AH数码管显示和STC89C52单片机。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A;额定功率25W。STC89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用[2]。

图2 系统总体电路图

经过单片机发出的PWM信号，通过L298N驱动电路最后驱动直流电机。将L298N的OUT1与OUT2连接在直流电机的两端，然后为了方便观察电机的转向，在电机的两侧并联两个方向不同（分别代表正、反转向）且颜色不一（红、绿）的LED小灯泡[3]。

3.系统软件设计和仿真及分析

本设计的主程序主要思路是，通过按钮增大或减小设定好占空比，并且在数码显示管上显示该占空比，当占空比增加或减小过零后，待到电机工作稳定后，改变转向，稳定之后直流电机工作在此占空比对应的速度，进而控制电机的转速，控制过程中电机速度的变化可以根据LED灯的变化趋势明显得到。

系统主程序

#include "reg52.h"

#include

sbit P1_0=P1^0;

sbit P1_7=P1^7;

void PWM（int k）

{

int m;uchar n;

k=k*5;

if（k>=0）

{

for（n=0;n<10;n++）

{

for（m=0;m

}

main（）

{

while（1）

{

PWM（Rn）;

if（key1==1）

{

Rn++;   if（Rn>99） Rn=99;

if（Rn>=0）

{ q1=（Rn/10）%10;

w1=（Rn%10）;

P2=start_code1[q1];

P3=start_code1[w1];

}

q1=（RRn/10）%10;

w1=（RRn%10）;

P2=start_code2[q1];

P3=start_code2[w1];

}

Proteus软件不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。在Proteus中根据所设计的系统电路图，搭建好电路。调试运行，仿真成功，并且测出输出波型[4]。

图3 Proteus仿真输出波形

4.实物搭建

硬件电路的搭建按照仿真及设计方案进行。直流电机PWM输出的信号一般比较小，不能直接去驱动直流电机，它必须经过功放后再接到直流电机的两端。该实验装置中采用直流15V的直流电压功放电路驱动。直流电机选用额定电压为220V，额定转速为1600r/min，额定电流为1.2A，实物连接如图4所示。

图4 实物连接图

通过仿真波形，可以看到与理论分析基本一致。通过仿真和硬件电路实现了提出的设计要求，理论分析的正确性，仿真波形的合理性，实际的应用性。

5.结论

利用直流调速系统理论、PWM控制技术、单片机知识、仿真软件在Proteus 平台中建立了直流电机PWM控制系统的仿真模型，搭建了设计的实际电路。

参考文献

[1]陈锟，危立辉.基于单片机的直流电机调速器控制电路[J].中南民族大学学报：自然科学版，2003，22（3）：43-45.

[2]李广弟，朱月秀，冷祖祁.单片机基础[M].北京航空航天大学出版社（第三版），2009.

[3]黄伟锋，吴丽宏.基于单片机的直流电机调速系统设计与仿真[J].机电工程技术，2010，39（12）：74-76.

[4]仝庆华.基于Proteus单片机虚拟实验室，山西大同大学学报（自然科学版）[J].2009，25（2）：23-25.