基于单片机的电动机转速/电流控制系统设计

贾文哲

摘要：随着现代社会的不断发展，对机械自动化的要求也越来越高，对于单片机而言，对其位置和时间的精确度也提出了更高的要求，因此，如何提高电机的运动速度是现代社会电机的一个重要课题。本次研究以89C52单片机为核心，用C语言进行编程控制，采用单片机内部定时器产生可调的矩形波，依据直流电动机的工作原理和数学模型以及脉宽调制（PWM）控制原理和H桥电路基本原理设计了驱动电路，采用了PWM技术对电动机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。

Abstract： With the continuous development of modern society， there are increasing requirements for mechanical automation. For singlechip， there are higher requirements for the accuracy of the location and time. Therefore， how to improve the speed of the motor is an important subject of motor in modern society. This study takes 89C52 singlechip as the core， uses C language for programming control， produces adjustable square wave by the MCU internal timer， and designs the drive circuit based on the working principle and mathematic model of continuous current motor and Pulse width modulation （PWM） control principle and the basic principle of H bridge circuit. It adopts PWM technology to control the motor and achieves the goal of precise speed control through duty cycle calculation.

关键词：PWM调速；H桥电动机驱动；电动机测速；89C52单片机

Key words： PWM speed regulation；H bridge motor drive；motor speed；89C52 singlechip

中图分类号：TM32 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）08-0247-03

0 引言

在运动控制发展的历程中，交、直流两大电机构并存于各个工业控制领域，随着各个时期科学技术的发展，它们所处的地位、所起的作用不同，但它们始终随着工业技术的发展而不断的提高性能，特别是在电力电子和微电子技术日益发展的今天，PWM调试方式的产生促使这两大电机的调速方式上逐渐进入了一个新的时代。

1 硬件电路设计

1.1 硬件设计总体框图（图1）

系统主要采用89C52单片机为主控芯片，单片机读取按键值，然后控制电动机正转，反转，启动，停止，调速，以及速度的测量。

1.2 电源电路设计

电动机驱动系统中，供电电源为系统的正常工作提供能源，本系统主要是采用5V电源给单片机供电，12V电源给电动机供电，直流电主要是市电通过整流，滤波，稳压得到5V直流电源以及12V电源。

供电电路采用的是直流线性稳压器组成。其中，交流电经过变压器变压得到电压UAC，根据单相桥式整流电路的特性，我们可以计算出整流以后的电压UO，UO是整流电路的输出端电压瞬时值在一个周期内的平均值，根据上图中的波形可得：

1.3 单片机最小系统

本系统的单片机采用的是89C52单片机，主要采用STC 89C52RC单片机，STC 89C52RC 是一种CMOS 8位微控制器，具有高性能、低功耗的特点，具备8KB在系统可编程Flash存储器。

除了上述功能外，单片机还具有一些其它的特殊功能，由特殊寄存器来负责设置。

1.4 直流电机PWM调速控制原理

直流电机改变电压调速就是改变电枢绕组端电压的调速。在直流调速系统中，通常电枢电流的时间常数很小，这就要求电流内环需有足够高的采样频率，在实际的操作中采用较高的采样频率是可行的。所以电流调节器通常能够采用间接方法设计，首先依照连续系统设计，然后再将得到的结果数字化。对于转速的采样频率，由于该数值过高或者过低都会影响到系统的安全性，所以必须对转速低采样频率进行合理选值，保证系统的正常运行。

电动机驱动电路采用H桥式驱动，图中用三极管组成H型平衡桥，驱动功率大，驱动能力强。同时H型PWM电路工作在晶体管的饱和状态与截止状态，具有非常高的效率。图中两个光电耦合器起隔离作用，因为电动机驱动电压为12V，单片机的工作电压为5V，若三极管的基极直接与单片机相连，会烧坏单片机，所以必加一个光电耦合器，隔离两边的电压，由于光电耦合器的传输速度最高可以达到70kHz，所以光电耦合器可以满足隔离的要求，同时也可满足脉冲信号传递速度较快的要求。

1.5 H桥电动机驱动电路

图2中所示这是一个非常常用的电动机驱动控制电路。因为它的形状和字母H非常相似，因此叫作“H桥驱动电路”。4个三极管组成这个电动机驱动电路。如图所示，电动机驱动电路H桥式通常包括4个三极管和一个电动机。导通对角线上的一对三极管，则电动机运转。判断不同三极管对的导通与否，然后判断电流的流向，根据电流的流向控制电动机的转向。

2 软件设计

2.1 软件总流程图

软件总流程图如图3所示。

2.2 PWM调速程序设计

2.2.1 PWM调速程序设计

键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P2.0与P2.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出高电平，驱动H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。电动机所处速度级以速度档级数表示。速度分10档，快慢与电动机所处速度级快慢一一对应。

在程序中通过单片机内部的定时器1和定时器0产生PWM，送出预设占空比的PWM波形。PWM（脉冲宽度调制）是一系列周期固定、占空比可调的脉冲系列，由于周期数必须是每个脉冲的低电平时间和高电平时间之和，因此必须由定时器来控制输出电平的维持时间。输出电压的平均值为：UAV=VCC*TH/（TH+TL）=VCC*TH/T=D*VCC

其中：VCC代表电压；TL代表低电平时间；TH代表高电平时间；T代表PWM周期。

当VCC固定时，其电压值取决于PWM波形的占空比D，而PWM的占空比由单片机软件内部用于控制PWM输出的寄存器值决定。

2.2.2 基于PID算法的PWM电机调速程序设计改进

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，被广泛应用于过程控制和运动控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。为了分析简便，从常规PID算法入手，PI控制的增量式差分方程为式（1），PI调节器的输出可由式（2）求得，其中KP为比例系数：KI为积分系数；Tsam为采样周期。

PI调节器的参数直接影响着系统的性能指标。分析系统过渡过程，在转速上升时，转速调节器相当于开环，此时不必进行积分计算，编程只须考虑比例放大作用，当转速上升接近稳态值时，才进行PI控制，消除稳态误差，此时的P虑比前阶段小。

常规PID控制具有结构简单、稳定性好、易于编程实现等优点，在高性能的调速系统中，仅仅靠调整P1参数难以同时满足各项静、动态性能指标。微机数字控制系统具有根强的逻辑判断和数值运算能力，我们应充分应用这些能力，再加上对直流电机和控制规律的知识，以智能的方式衍生山多种改进算法，提高系统的控制性能。

3 系统仿真分析

系统仿真采用Protues仿真软件，Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

本系统的仿真如图4所示。

系统仿真结果如图5所示。

4 结语

本次PWM电机调速系统的研究重对直流脉宽调速系统进行了深入的研究与分析，提出并讨论了基于PID算法的电机控制思路，运用此算法可以使直流脉宽调速控制系统精度高，动态响应好，稳定。

89C52单片机是一种适合于常用的51内核微处理器。本次研究充分利用了89C52内含多个定时器的功能，结合直流电动机的特点，设计了结构简单、保护功能较齐全的PWM电机调速系统。

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