隋美麗，夏征，龍建，王楠

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，北京 100176；2.中油管道檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司，河北 廊坊 065000）

基于脈沖寬度調(diào)制的直流電機(jī)控制方法研究與設(shè)計(jì)

隋美麗1，夏征2，龍建1，王楠1

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，北京 100176；2.中油管道檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司，河北 廊坊 065000）

通過(guò)對(duì)脈寬調(diào)制（PWM）控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法進(jìn)行了研究，以STC12C5201AD單片機(jī)為主控芯片，并對(duì)控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為平滑調(diào)速提供了一種解決方案，該調(diào)速方法具有靈活性強(qiáng)、控制精度高、調(diào)節(jié)范圍廣，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

脈寬調(diào)制；直流電機(jī)；控制

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-46-03

1、緒論

隨著電子技術(shù)數(shù)字化、智能化的發(fā)展，直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)也快速發(fā)展。直流電機(jī)調(diào)速方法通常有直流電壓直接供電，通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)速電路改變電機(jī)的內(nèi)阻來(lái)改變直流電機(jī)的電壓降實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，但該調(diào)速的方法調(diào)速不精確。還有一種調(diào)速方法由發(fā)電機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速，這種調(diào)速方式調(diào)速性能較好，缺點(diǎn)是系統(tǒng)本身龐大，成本較高[1]。自PWM調(diào)速技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，迅速被應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中，并且其在性能方面、成本方面以及操作方面表現(xiàn)出了很多優(yōu)勢(shì)，因此得到了廣泛應(yīng)用[1]。

2、PWM控制的基本原理

PWM（Pulse Width Modulation）脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。從宏觀上講，PWM是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，來(lái)達(dá)到輸出控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM應(yīng)用范圍廣泛，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等[2][3]。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，通常是按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短，又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”，如可以通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

占空比是指在輸出的PWM中，高電平保持的時(shí)間與該P(yáng)WM的時(shí)鐘周期之比。PWM的占空比決定輸出到直流電機(jī)的平均電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)方波高電平和低電平的時(shí)間比來(lái)實(shí)現(xiàn)。如一個(gè)PWM的頻率是1000Hz，那么它的時(shí)鐘周期為1ms，如高電平出現(xiàn)的時(shí)間是200us，低電平的時(shí)間是800us，其占空比為200:1000，即1:5，此時(shí)會(huì)有20%的高電平時(shí)間和80%的低電平時(shí)間；而一個(gè)60%占空比的波形則具有60%的高電平時(shí)間和40%的低電平時(shí)間，占空比越大，高電平時(shí)間越長(zhǎng)，則輸出的脈沖幅度越高，即電壓越高。因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，并且可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)。

3、PWM調(diào)速實(shí)現(xiàn)方法

3.1 直流電機(jī)速度計(jì)算

設(shè)直流電機(jī)接通電源時(shí)，轉(zhuǎn)速最大為Vmax，PWM周期為T，高電平持續(xù)時(shí)間為t，如圖1所示，則占空比η為：

電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速度Vη為：

圖1 PWM占空比

由以上公式可知，占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，可以很方便地通過(guò)改變占空比來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)平均轉(zhuǎn)速。

3.2 利用延時(shí)法實(shí)現(xiàn)PWM控制

本文主要介紹采用STC15C5201AD單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)的軟件實(shí)現(xiàn)方法。如果對(duì)占空比要求不太嚴(yán)格，可采用延時(shí)方式，如果需要嚴(yán)格定時(shí)，則可采用定時(shí)器中斷方式。小車電路如圖2所示，分別用P1.6、P3.5和P2.1、P3.7控制兩個(gè)后輪。小車后輪正反轉(zhuǎn)控制真值表如表2、表3所示。

圖2 小車電路圖

表1 小車后輪1正反轉(zhuǎn)控制真值表

表2 小車后輪2正反轉(zhuǎn)控制真值表

如采用一般的延時(shí)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的正反轉(zhuǎn)，優(yōu)點(diǎn)是程序?qū)崿F(xiàn)代碼簡(jiǎn)單，不需要使用定時(shí)器，節(jié)省系統(tǒng)硬件資源，不需要考慮晶振頻率，易于理解與編程，缺點(diǎn)是CPU會(huì)把大部分時(shí)間消耗在延時(shí)上，如果還有其他邏輯運(yùn)行，會(huì)使延時(shí)精度降低，并影響系統(tǒng)響應(yīng)速度。但在系統(tǒng)硬件資源緊張的情況下，延時(shí)方式不失為一種較好的解決方案。利用延時(shí)方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和延時(shí)，只要改變參數(shù)speed就可改變PWM的占空比。設(shè)計(jì)程序時(shí)將一個(gè)周期分為了20份，高電平與低電平采用互補(bǔ)形式，可實(shí)現(xiàn)占空比在0%～100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

3.3 利用定頻調(diào)寬法實(shí)現(xiàn)PWM控制

直流電機(jī)調(diào)速一般可以采用定寬調(diào)頻、調(diào)寬調(diào)頻、定頻調(diào)寬三種方法改變占空比的值，但是前兩種方法在調(diào)速時(shí)改變了控制脈寬的周期，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)將會(huì)引起振蕩，因此常采用定頻調(diào)寬法改變占空比的值，從而改變直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓。定頻調(diào)寬法的頻率一般在800～1000Hz。

利用控制定時(shí)器初值，可以實(shí)現(xiàn)輸出不同占空比的PWM。我們利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，結(jié)合定時(shí)器的工作方式和系統(tǒng)晶振，來(lái)確定定時(shí)器的初值。若時(shí)鐘頻率為f，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為n位，則定時(shí)器初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系為：

式中，t表示定時(shí)時(shí)間；n表示定時(shí)器的位數(shù)；n0表示定時(shí)器的計(jì)數(shù)初值；N表示單片機(jī)一個(gè)機(jī)器周期需要的時(shí)鐘數(shù)；f表示單片機(jī)晶振頻率。

如果選用兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)用來(lái)控制高電平時(shí)間，另一個(gè)控制低電平時(shí)間，可以很容易達(dá)到要求，但會(huì)浪費(fèi)單片機(jī)定時(shí)器資源。為此我們可以利用一個(gè)定時(shí)器來(lái)分別控制高電平和低電平持續(xù)的時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)占空比，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

系統(tǒng)中，STC12C5201AD單片機(jī)的晶振為22.1184MHz，采用定頻調(diào)寬法，產(chǎn)生一個(gè)周期為1毫秒，占空比為1/5的PWM信號(hào)，采用T0（方式0）中斷方式由P1.0輸出一個(gè)PWM信號(hào)。

4、結(jié)論

通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速具有靈活性強(qiáng)、控制精度高、調(diào)節(jié)范圍廣、穩(wěn)定性高、成本低等特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的效能。由于單片機(jī)的管腳驅(qū)動(dòng)能力有限，不能直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，在本系統(tǒng)中，利用定頻調(diào)寬等方法產(chǎn)生PWM信號(hào)，通過(guò)H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為平滑調(diào)速提供了一種解決方案，有很強(qiáng)的實(shí)用性。

[1] 焦玉朋.基于51單片機(jī)的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[D]. 呼和浩特:內(nèi)蒙古大學(xué),2013.5.

[2] 李永東,高躍.變頻世界[J]. 2006.3:6-13.

[3] 司明.一種開關(guān)電源PWM控制電路設(shè)計(jì)[D].沈陽(yáng):遼寧大學(xué)2013.

Research and Design of DC Motor Control Method Based on Pulse Width Modulation

Sui Meili1, Xia Zheng2, Long Jian1, WangNan1
（1. School of Automotive Engineering, Beijing Polytechnic, Beijing 100176; 2. China Petroleum Pipeline Inspection Technologies Co. Ltd, Hebei Langfang 065000）

By controlling the pulse width modulation (PWM) method, the speed of DC motor is studied, using STC12C5201AD microcontroller as the main control chip, and the control circuit are designed through the H bridge drive motor, provides a solution for smooth speed regulation, the speed control method has strong flexibility, high control precision, wide adjustment range, With strong practicability.

PWM; DC motor; Control

U462.1

A

1671-7988 (2017)08-46-03

隋美麗（1978.11- ）女，講師，博士。就職于北京電子科技職業(yè)學(xué)院。主要從事汽車電子、車輛工程等方面的研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.015