直流电机PWM可逆调速系统设计

郭小龙（曲阜师范大学工学院,山东 日照 276800）



直流电机PWM可逆调速系统设计

郭小龙
（曲阜师范大学工学院,山东 日照 276800）

摘 要：旋转电机的形式主要有三种：直流电机、异步电机、同步电机。其中，直流电机由于具有较为完善的启动性能和宽广平滑的调速特性在生产和生活的各个领域得到广泛的应用。本文对直流电机的调速方法进行了分析，重点对PWM控制的直流电机调速系统进行了设计。

关键词：直流电机；PWM；调速

0 引言

直流电机是形成最早的一种电机形式，广泛应用于交运、航天、自动化等各种领域中。早期的直流电机控制系统由各种非线性电子电路组成，结构复杂、功能单一，限制了其应用。随着电力电子技术的发展和进步，脉冲宽度调制技术（Pulse-Width Modulation，简称PWM）逐渐成熟，在很大程度上带动了直流电机的发展。PWM的主要原理是通过控制半导体器件的通断来产生一系列幅度相同、宽度不等的矩形波，根据等面积定则可以通过控制这些矩形波的宽度来模拟各种形式的信号，即PWM通过控制半导体器件的通断时间来控制输出电压的幅值和频率。

随着电子技术、信息技术和控制技术的发展，采用芯片对直流电机的速度进行调节逐渐得到应用。芯片在直流电机调速系统中的主要作用是产生PWM调制信号，还具有一定的其他控制功能。单片机以其占地面积小、能耗低、价格便宜、使用简便而成为直流电机调速系统的第一选择。

1 直流电机的调速方法

根据直流电机的基本工作原理，其转速主要由三个条件决定：端电压U、主磁通Φ和电枢回路内阻R，根据这三个条件可以将直流电机的调速方法分为三种。

（1）改变端电压U调速。直流电机的转速与其端电压U正相关，调节端电压U的高低可以连续得调节转速的快慢，在调节的过程中，电机的转矩近似保持恒定。采用这种方式，可以获得比较快的响应速度和比较平滑的速度特性，但是需要装置额外的可调电源，价格较高。

（2）改变主磁通Φ调速。通过调节励磁电流If的大小可以方便得控制电机主磁通Φ的高低，进而改变直流电机的转速。在调节的过程中，直流电机的电磁功率近似保持恒定。采用这种方式，可以获得比较平滑的速度特性曲线，但是只能使电机的速度由低到高变化而不能使转速降低，并且响应速度较慢。

（3）改变点数回路内阻R调速。改变电枢回路的内阻R，可以间接改变端电压U的大小，进而改变电机的转速。采用这种方式，具有价格低廉、操作简单的优势，但是不能获得平滑的转速特性，机械特性较差，在启动的过程中基本上无法发挥作用，并且外接电阻会消耗额外的能量。因此，这种方式的使用场合很少。

综合比较以上几种方法的优缺点，本文采用改变电枢电压的方式进行调速。根据上文的分析，采用这种方式需要配备大容量的可调电源，本文通过PWM电路实现。

2 PWM调速系统整体设计及基本原理

（1）系统整体设计。本文采用STC89C52RC型单片机产生PWM信号对直流电机的速度进行调节。系统需要实现的主要功能有五个：电机的启动、停止、加速、减速、反转。根据系统的功能可以将其分为三个主要部分：输入、控制、输出。输入部分可以通过选择直流电机的运行状态；控制部分的主体为STC89C52RC型单片机，还包括其他的辅助电路；输出部分主要有液晶数码显示器组成，主要作用是读取PWM电路的占空比，可以方便得了解电路的运行状态。输入部分和输出部分构成比较简单，本文主要对控制部分进行分析。

（2）PWM调速原理。PWM通过控制电力电子器件的通断，产生一系列幅值相同、宽度不等的矩形波，对直流电机进行控制。图1给出了PWM调速的基本结构。

图1给出的PWM电路结构为双极性，即电路的输出只有两种形式的电平。电路的主要元件为VT1、VT2、VT3、VT4四个晶闸管，通过控制其所在支路的通断时间，即可自由控制直流电机两端的电压。VT1和VT4所在支路导通时，电枢供电电压UAB为正，VT2和VT3所在支路导通时，电枢供电电压UAB为负，两条支路的控制信号互补，并且留有一定的死区时间。通过控制VT1和VT4所在支路和VT2和VT3所在支路的通断时间比例，即占空比的高低，即可以方便得控制PWM电路输出矩形波的等效正弦电压的幅值，进而控制直流电机电枢回路的供电电压。

3 系统硬件设计

本文的设计为基于STC89C52RC型单片机的直流电机PWM可逆调速系统，本章将对系统各模块的硬件构成进行设计。

（1）STC89C52RC型单片机介绍。STC89C52RC型单片机是由我国宏晶科技有限公司生产的一种8为STC增强型8051系列单片机。篇幅所限，STC89C52RC型单片机各管脚的功能本文不再赘述，具体见参考文献5。

（2）系统电源。系统中的STC89C52RC型单片机及控制部分中的其他辅助电路均采用DC-5V供电电源，但是直流电机的驱动电路供电电源为DC-12V，所以，系统中还需要设置一个将可以实现直流电压变换的电路。本设计选择使用线性稳压电源实现此功能。其工作原理见图2。

从图2可以看出，系统所采用的直流电压变换器具有两个输出，电路结构非常简单，并且具有稳态精度高的优点，还能够在一定程度上抵抗交流侧输入电压的不正常波动。

（3）PWM输出。PWM信号的产生主要由系统控制部分的STC89C52RC型单片机完成，在P3.7端口生成一系列幅值相同、宽度不等的矩形波。关于矩形波的形式，本文采用周期恒定、占空比改变的方式，通过调节占空比的高低来控制直流电机电枢两端电压U的大小，进而控制转速连续变化。

（4）电动机驱动模块。本文采用L298芯片对直流电机进行驱。由于STC89C52RC型单片机P3.7端口产生的矩形波幅值较小，所以不能直接将其加在电机两端进行驱动，需要加设一些辅助电路对矩形波的幅值进行放大，L298芯片即可完成此功能。L298芯片工作于单极性方式，即直流电机电枢供电电压极性保持不变。STC89C52RC型单片机P3.7端口的输出作为L298芯片的是能信号，控制其工作与否，间接控制直流电机的端电压高低进行调速。由于本文研究的对象为小容量直流电机，因此，只需要占用L298芯片的两个驱动端口中的一组即可，另一组引脚可以悬空或通过上拉电阻接高电平。

（5）系统整体设计图。图3为直流电机PWM可逆调速系统的整体设计图，系统的DC-5V和DC-12V供电电源由图2单独给出。

4 结论

本文对基于STC89C52RC型单片机的直流电机PWM可逆调速系统进行了设计，重点对系统的控制部分进行了分析。系统的控制部分主要由STC89C52RC型单片机和L298芯片以及供电电源和一些辅助电路构成。STC89C52RC型单片机的主要作用是产生一系列幅值相同、宽度不等的矩形PWM信号波，L298对这些矩形波的幅值进行放大，增强对电机的驱动能力。由于能力所限，本设计尚存在各种缺点，需要在将来的工作中作进一步改进。

参考文献：

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[5]陈学强.基于ARM的模糊PID控制器在直流调速中的应用[D].南昌大学,2008.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.158