摘 要：關(guān)于控制電動機的調(diào)速，大多采用模擬法。本文主要利用MCS-51系列單片機操控PWM信號來實現(xiàn)對電動機的運轉(zhuǎn)制動和方向的控制，并且對PWM信號的發(fā)生還有產(chǎn)生基礎(chǔ)以及通過程序來完成PWM信號占空比的調(diào)整進(jìn)而調(diào)節(jié)輸入的信號波形。另外，該系統(tǒng)還將會對直流電機的運轉(zhuǎn)速度進(jìn)行實時的測量，然后通過濾波，把得到的值送到A/D轉(zhuǎn)換器并且把它作為最后的反饋值輸送到單片機中進(jìn)而完成PI的運算，從而得到控制直流電機的轉(zhuǎn)速的目的。

關(guān)鍵詞：直流電機；單片機；PWM調(diào)速

中圖分類號：TP368.1

電動機被當(dāng)作能量轉(zhuǎn)裝置被大規(guī)模的應(yīng)用于各個行業(yè)中，人們對產(chǎn)品工藝質(zhì)量還有產(chǎn)量的要求不斷增長，實現(xiàn)生產(chǎn)機械的自動調(diào)速已亟不可待。直流電動機的制動、啟動性十分良好，適宜在比較廣范的條件內(nèi)平滑的調(diào)速。傳統(tǒng)系統(tǒng)的調(diào)速大多會產(chǎn)生一些不必要的熱損失，同時對噪聲也很敏感，模擬電路比較容易隨著時間飄移。而利用PWM技術(shù)則可以避免這些缺點。它可以完全實現(xiàn)數(shù)字化控制模擬信號，再者，多樣化和復(fù)雜化是電機控制器可以預(yù)見的方向，而當(dāng)前的專用集成電路也不一定能夠跟上現(xiàn)代化的進(jìn)程，因此，對于直流電機的研究仍然有著相當(dāng)重要的價值。

1 硬件電路設(shè)計

直流電機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)和加速減速以及轉(zhuǎn)速的調(diào)速是直流電機PWM系統(tǒng)的主要功能。為了方便實現(xiàn)直流電機的智能控制，還需要附加電機的啟動清零以及暫停連續(xù)功能。A其過程則主要是通過80C51單片機激發(fā)的可調(diào)脈寬信號傳送到L298驅(qū)動芯片來完成對直流電機的控制。該直流電機系統(tǒng)的電路模塊有幾個部分，首先就是設(shè)計顯示部分：這部分包括LCD顯示部分和LED數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分則是用1602LCD顯示電路組成。而七段數(shù)碼顯示管則組成了LED的數(shù)碼顯示部分。再就是時鐘電路和振蕩器：主要是由80C51單片機還有晶振以及電容組成。再就是輸入部分：該電路模塊的實現(xiàn)主要是利用帶中斷電路的獨立鍵盤。最后直流電機PWM控制的實現(xiàn)部分呢就是由電機和L298直流電機驅(qū)動模塊以及一些二極管構(gòu)成。

硬件電路的詳細(xì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件電路框圖

1.1 脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)

脈沖寬度調(diào)制原理就是利用脈沖的持續(xù)時間會隨著制波的樣值的改變而改變，這種特別有效的技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域異常廣泛。與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)擁有下列優(yōu)點：因為PWM調(diào)速系統(tǒng)擁有比較高的開關(guān)頻率，只靠電樞電感的濾波作用就可以得到十分平穩(wěn)的直流電流，低速特性比較好，我們可以在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)里面，根據(jù)一個固定的平率接通電源和斷開電源，而且依據(jù)需求改變一個周期以內(nèi)的接通電源與斷開電源時間的長短，也可以改變直流電機電樞上電壓的占空比使得平均電壓的大小得到改變，以達(dá)到控制電動機轉(zhuǎn)速的目的。如圖2所示是PWM方波：

圖2 pwm方波

當(dāng)電動機始終保持接通電源的時候，可以設(shè)電動機最大轉(zhuǎn)速是Vmax，同時設(shè)占空比為D=t1/T，這樣的話電機的平均速度就成為了Va=Vmax*D，公式里面電機的平均速度是Va，電動機在完全通電的時候它的最大速度為Vmax，從上面的公式可以看出：如果想要得到不同的電機的平均速度，就要去改變占空比D=t1/T，可以起到調(diào)速的作用。

1.2 PWM信號發(fā)生電路設(shè)計

PWM信號發(fā)生電路總設(shè)計圖如下圖3所示。

圖3 pwm信號發(fā)生電路總設(shè)計圖

上面的系統(tǒng)里面，PWM信號發(fā)生電路是由一片12位串行計數(shù)器4040與兩片4位數(shù)值比較器4585組成的上圖的U2，U3就是兩片數(shù)值比較器4585，它們的A組接在12位串行計數(shù)器4040計數(shù)輸出端Q2-Q9上，但是他們的B組是接到單片機的P1端口的，要是想通過改變PWM信號的占空比來達(dá)到調(diào)速的目的，僅僅只用改變P1端口的輸出值就可以了，而4040的計數(shù)輸出端CLK是接到單片機C51晶振的振蕩輸出XTAL2上面的，每當(dāng)4040計數(shù)器來八個脈沖的時候，它的輸出Q2-Q9就會加1，如果計數(shù)值等于或者是小于單片機P1端口輸出值X的時候，上圖中U2（A>B）的輸出端始終是低電平，但是如果計數(shù)值大于單片機P1端口輸出值X的時候，上圖中U2（A>B）的輸出端始終是高電平，隨著計數(shù)值的不斷增加，上圖中U2（A>B）的輸出端在Q2-Q9全部從1變到全部是0的時候，就又變成了低電平了，這樣的話在U2（A>B）的輸出端就得到了PWM信號，它的占空比是（255-X/255）*100%，在這里，如果想要通過相對的改變PWM的信號的占空比來控制電動機的轉(zhuǎn)速，僅僅變下X的數(shù)值就可以了。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件由1個主程序、1個中斷子程序和1個PI控制算法子程序組成。下面是它的程序流程圖。軟件由1個主程序、1個中斷子程序和1個PI控制算法子程序組成。主程序是一個循環(huán)的程序，它的主要思路是由單片機P1口產(chǎn)生數(shù)據(jù)然后送到PWM信號發(fā)生電路，然后用PI算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比進(jìn)而控制電機的轉(zhuǎn)速。主程序流程圖如圖4所示：

否

否

是

是

否

是 是

否 否

是 是

是

是

否 否

圖4 系統(tǒng)的主流程圖

2.1 系統(tǒng)模塊程序設(shè)計

PI控制算法子程序設(shè)計

*PI控制算法子程序*/

void PID_work（）

{

negsum=0；possum=0；

if（BJ==0）

{

possum+=k1；

temp[2]=temp[2]+temp[0]；}

else

{

negsum+=k1；

temp[2]=temp[2]-temp[0]；

}

k3=temp[2]/10；

if（possum>negsum）

{

k2=possum-negsum； //存儲結(jié)果

CY=0；

temp[1]=k3+k1； //誤差積累，

{

if（CY==1） //16位判斷。

UK=0xfe；

else

UK=k1+k3；

}

else

UK=1；

P3=UK；

}

2.2 仿真與測試

本論文所敘述的直流電機閉環(huán)調(diào)速的核心是低價位的單片機8051，性價比很高，這個在大三的時候是學(xué)過的，用單片機實現(xiàn)電機的調(diào)整有非常多的渠道，在軟件的領(lǐng)域，用數(shù)字電路組成的直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上用PLD算法來確定閉環(huán)控制的補償量。波形圖如圖5所示

圖5

3 測試結(jié)果

經(jīng)過測試驗證，電機系統(tǒng)可以實現(xiàn)對直流電機的轉(zhuǎn)速以及方向的控制，該系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。電機主要測試結(jié)果如表1所示。

表1

測試項目指令控制字預(yù)期結(jié)果實際結(jié)果

正轉(zhuǎn)1 1正轉(zhuǎn)（慢速）正轉(zhuǎn)（慢速）

1 50正轉(zhuǎn)（快速）正轉(zhuǎn)（快速）

反轉(zhuǎn)2 1反轉(zhuǎn)（慢速）反轉(zhuǎn)（慢速）

2 50反轉(zhuǎn)（快速）反轉(zhuǎn)（快速）

停止0 1快速停止快速停止

0 50快速停止快速停止

加速3 1以原速度開始加速以原速度開始加速

3 50以原速度開始加速以原速度開始加速

4 結(jié)束語

該論文敘述的直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的核心是性價比很高的低價位的單片微機8051，而且目前為止有很多辦法可以用單片機實現(xiàn)電機的調(diào)整，相對于其他的用硬件或者是用硬件和軟件結(jié)合在一起的辦法完成對電機的調(diào)整來說，使用PWM軟件算法來實現(xiàn)對電機的調(diào)整還是有很大的優(yōu)勢的，這個軟件的調(diào)速過程有更加大的靈活性，而且成本很低，它還能夠充分的發(fā)揮單片機的作用，也為簡易速度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一個有效的渠道。以前也嘗試過用單片機直接來產(chǎn)生PWM信號波形，但是它的最后的效果都不太理想，在慢慢地減少了硬件的使用以后，就大大的減小了單片機的壓力，程序里面也有足夠的時間來進(jìn)行閉環(huán)控制的測控與計算，這樣能夠使得軟件的運算更加的合理，更加的可靠。

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[8]http：//hi.baidu.com/wolfwhite/blog/item/1e23bf09e83e16256b60fbf8.html.

作者簡介：汪小川（1990.05-），男，湖北隨州人，本科，2010級本科生。

作者單位：武漢輕工大學(xué)，武漢 430023