基于单片机的直流电动机pwm调速系统设计

基于单片机的直流电动机pwm调速系统设计内容摘要：

法，本系统具有功率器件体积小，功率大，损耗低，控制灵活简单，效率高的特点。 2 直流 PWM 调速系统的工作原理 PWM 调速装置是利用大功 率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内接通和断开时间的长短，通过改变直流伺服电动机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。 占空比越高转速越快，反之亦然。 因此，这种装置又称为开关驱动装置， PWM 控制的示意图，如图 1 所示。 图 1 本文仅供参考 2 这是一个直流降压斩波电路。 电压平均值 Ud可用下式表示为 Ud=E*ton/(ton+toff)=E*ton/T=α E （ 1） ,式中 ton — 开关每次接通的时间； T — 开关通断的时间周期；α — 占空比 ，α = ton /T。 由此电路得到的电动机两端的电压波形，如图 2 所示。 t o nt o f fE tu dT 图 2 在他励直流电动机中，有 Ea=UaIaRa（ 2），式中 Ua— 电机的端电压， Ua=UIaRΩ， 当 Ia=0或RΩ=0 时 ， Ua=U。 若忽略电阻压降 IaRa，并考虑 Ea=Ceф n,则式（ 2）变为 n≈ Ua/Ceф （ 3）。 由 (1),(3)两式可见，改变开关接通时间 ton 和开关周期 T 的比例亦即改变脉冲的占空比，电动机两端的电压平均值也随之改变，电动机的转速与端电压成正比，而 端电压与占空比成比例。 因而电动机转速得到了控制。 改变占空比有两种调制方法：一种是开关周期恒定，通过改变导通脉冲宽度来改变占空比的方式，即脉冲宽度调制（ Pulse Width Modulation ，缩写为 PWM）；另一种方式为导通脉冲宽度恒定，通过改变开关频率 ( f = 1/T ) 来改变占空比，亦即脉冲频率调制（ Pulse Frequency Modulation ，缩写为 PFM）。 [1]由于 PFM 控制是依靠脉冲频率来改变占空比的，当遇到某个特殊的频率下的机械谐振时，常导致系统震动和出现啸叫声，这一严重 的缺点导致 PFM 控制在伺服系统中不适用。 目前，在直流电动机的控制中，以 PWM 控制方式为主。 根据以上原理，本系统采用键盘输入转速给定，按照 PID算法自动调节占空比，缩短过渡过程、稳定速度。 本设计将 占空比为 1 时 Ud 对应转速最大值，这样调节占空比就能实现转速由最大到最小的调节。 比如可以将一开机占空比初值设置成 50%，转速设置成最高的一半，则可以通过调节占空比，使转速可以在设定范围内调节。 这个设置在编制程序中设定。 3 直流电机 PWM 调速系统的硬件组成 该直流电动机 PWM 调速系统由上位机（ PC 机） 、单片机 P89V51RD功率集成电路芯片 L298 和直流电动机组成，如图 3 所示。 在整个 PWM 调速器中， PC 机作为主控制器，其上运行控制主程序，提供用户界面，并且根据系统提供的信息将电动机运行的指令（速度值）下达给单片机。 单片机作为底层控制器，运用一定的控制算法完成电动机的速度控制。 本文仅供参考 3 MV s sP 2 . 1P 1 . 5P 2 . 01 E N1 A 11 A 2V c cP 8 9 V 5 1L M 2 9 8上位机 图 3 4 设计方案 1 根据给定转速，通过查表或者计算，得到对应的占空比，进行改变转速。 设电机转速 n=f(u), u=α E,由这两个关系式可以推导出 α =G(n)，当从键盘输入转速时就可以由α =G(n)解出对应占空比的值，就可以向单片机的 PWM寄存器中送入 256*α的值，这样就从单片机的 PWM模块中输出了占空比为α的 PWM 波，电机的转速为给定值。 这种情况是理想的情况，当电机负载或者电压 E 发生变化，α =G(n)就会发生变化，这时通过计算或者查表得出的占空比就和实际情况发生偏差，这时电机的转速就会偏离给定的转速。 这种方案控制简单，实现容易，但是只适用于转速控制精度不高和负载变化不大的情况。 主控电路设计 采用 P89V51RD2单片机为主控芯片，可以 将编好的程序通过计算机串口下载到芯片中，而不必通过编程器下载。 芯片内部含有 flash和 RAM，无须扩展外部存储器，使用方便。 而且含有 pwm模块，适合输出 PWM波，简单方便。 P89V51RD2概述 P89V51RD2是一款 80C51微控制器，包含 64kB Flash和 1024字节的数据 RAM。 Flash程序存储器支持并行和串行在系统编程（ ISP）。 并行编程方式提供了高速的分组编程（页编程）方式，可节省编程花费和推向市场的时间。 ISP允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。 应用固件的产生 /更新能力实现了 ISP的大范围应用。 [2] 特性 80C51核心处理单元； 5V的工作电压，操作频率为 0～ 40MHz； 64kB的片内 Flash程序存储器，具有 ISP（在系统编程）和 IAP（在应用中编程）功能； 通过软件或 ISP选择支持 12时钟（默认）或 6时钟模式； SPI（串行外围接口）和增强型 UART； PCA（可编程计数器阵列），具有 PWM和捕获 /比较功能； 4个 8位 I/O口，含有 3个高电流 P1口（每个 I/O口的电流为 16mA）； 3个 16位定时器 /计数器； 可编程 看门狗定时器（ WDT）； 本文仅供参考 4 8个中断源， 4个中断优先级； 2个 DPTR寄存器； 低 EMI方式（ ALE禁能）； 兼容 TTL和 CMOS逻辑电平； 掉电检测； 低功耗模式 掉电模式，外部中断唤醒； 空闲模式； [3]。