基于单片机的直流电机PWM调速系统设计

吴波

摘 要：本文介绍了如何设计一种基于单片机的直流电机PMW调速系统，以解決直流电机数字化的调速问题。本系统以单片机AT89S51为核心控制器件，通过按键调速，采用L298N芯片驱动直流电机，利用霍尔传感器测得直流电机的转速，通过LED数码管实时显示。整个系统电路设计简单，稳定性好，实用价值高。

关键词：单片机 PWM 直流调速 L298

由于直流调速系统带载启动性能好，转矩大，调速范围广，静差率小，稳定性强以及具有良好的动态性能，在相当长的时期内，国内高性能的调速系统大多采用了直流调速系统。早期直流调速系统由许多模拟分立元件组成，因元件的不稳定性，噪声的干扰等因素，使得系统的精度和稳定性较差。但随着计算机控制技术的发展，直流调速系统进入一个数字化的新时代。

一、PWM调速原理

如图1a所示，在电路中，按照一定频率接通、关断半导体器件VT，电动机电枢得到斩波电压，如图1b所示。通过调整电压的“占空比”来调整平均输出电压Ud，从而控制直流电动机的转速Vd。

分析讨论：当电机始终通电时，转速为Vmax；当占空比为D=ton/T时，则平均转速为Vd=Vmax*D。由此可见，当改变占空比D时，电机的平均速度Vd就实现可调。在非严格情况下，平均速度Vd与占空比D近似认为线性关系。这是直流电动机PWM调速的基本工作原理。

二、系统硬件设计

1.系统设计架构

本系统以单片机AT89S51为核心微处理器，当键盘接收到按键信息后，经程序运算，输出一定占空比的PWM信号。一路信号送给L298输入端，控制直流电动机的运行方向；另一路送给L298使能端，控制运行速度。另外，在直流电机中安装霍尔传感器，应用M法，进行定时计数，把速度信号反馈给单片机，将程序计算出的转速，送4位LED数码管实时显示。整个系统由双路稳压电源提供。系统框图如图2所示。

2.单片机及键盘部分

以MCS-51为内核的单片机，目前仍是市场的主流产品。本系统采用的AT89S51，是Atmel公司于2003年在AT89C51基础上推出新的产品，在保留原有的Flash存储器的同时，增加了在线可编程ISP，33MHz的时钟频率，原有功能同时向下兼容，指令系统保持不变。它拥有2个16位定时/计数器，6个中断源，可以用来定时输出PWM方波，中断计数、转速检测、实时显示等。

3.双路稳压电源

本系统电源采用双路输出的线性直流稳压电源，+5V为控制部分的逻辑元件提供直流电源，+12V为小型直流电动机提供额定的工作电压。电路图如图4所示。

此电源电路由1个220V到12V的变压器，1个整流桥堆，2个集成稳压芯片和6个电容组成。C4是整流后的低频滤波电容，C5是高频率小电容，C6和C7改善了稳压电源的瞬态负载响应特性。

4.电机驱动电路

本系统采用了L298N芯片作为直流电机的驱动电路。L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片有15个引脚，最高工作电压46V，持续工作电流为2A；内含两个H型全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机等感性负载；对L298N逻辑部分电源电压Vss接5V，驱动电源电压Vs供+12V。

L298N的引脚逻辑功能表，如图5a所示，IN1、IN2控制电机的转向；ENA接输入的PWM信号，控制电机的转速，接线图如图5b所示。

5.测速和显示电路

本系统选用霍尔传感器CS3020，采用M法，对电动机进行测速。先将2个小磁钢对称固定于电动机的旋转主轴上，每当旋转一周时，霍尔元件输出2个高电平脉冲，就可以测出实际的转速。

为节省I/O口资源，单片机从P2.0～P2.3口输出4位BCD码，经74LS47译码，转换成七段码显示；P2.4～P2.7口分别作为4位LED数码管的选通脚，原理框图如图6所示。

三、 小结

纵观电气传动国内外发展的情况，虽然直流电机结构复杂成本高，但我国目前仍有大量机床和系统使用直流电机，调速使用模拟PWM控制或用晶闸管移相控制。如果将其改造为微处理器控制的PWM调速系统，使其控制方式数字化，线路简单化，运行性能必然稳定、可靠，前景广泛，有很好的实用价值。

（作者单位：广州市交通高级技工学校）endprint