基于单片机的直流电机调速系统设计

黄长浩

摘要：本文主要论述了利用AT89C51单片机产生PWM信号，实现对直流电机进行调速并测速、显示的方法。文章中对PWM信号的原理、产生方法以及转速测量和显示速度值等均作了详细的阐述。另外，本设计使用了Proteus中带编码器的直流电机模型对其转速进行测量，并在LCD1602显示器上显示电机的实时转速。

关键词：直流电机；AT89C51单片机；PWM信号

0引言

直流电机具有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，调速范围广，易于平滑调节【1】。直流电机已成为现代工业自动化系统、现代科学技术和现代军事装备中不可缺少的重要元件，对直流电机的控制要求也越来越高，传统的采用由晶闸管可控整流器供电的调速系统已满足不了现代社会的需求【2】。同时，随着电子技术高速发展，直流电机的控制逐渐地由模拟化走向数字化，特别是单片机技术发展的日新月异，使得许多控制功能和算法可以由软件来实现。

1系统总体方案

1.1 PWM调速原理

PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制是通过产生矩形波改变固定电压的开关频率，从而改变负载两端的平均电压，从而达到控制要求的一種电压调整方法。PWM广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中【3】。

在PWM驱动控制的调速系统中，按一个固定的频率（本系统选取频率f=50Hz）来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。

由上面的公式可见，当我们改变占空比D = t1 / T时，就可以得到电机不同的平均速度Va，从而达到调速的目的。

1.2 PWM调速工作方式

单片机控制使一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速，即采用单极性工作方式。

1.3 PWM调脉宽方式

PWM调脉宽方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。本设计中采用定频调宽的方式。因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定，并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。

1.4 PWM实现方式

本设计采用定时器中断方式产生PWM脉冲波，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个微秒。如果采用软件延时方式产生PWM脉冲波，占用大量CPU，且精度上不及前者，特别是在引入中断后，将有一定的误差。

2系统硬件电路设计

2.1 总体硬件电路框图

2.2 LCD显示模块

本系统采用LCD1602液晶显示器实时地显示电机的转速。其中，RS、RW和E分别由单片机的P2.5口、P2.6口和P2.7口控制，D0-D7和单片机的P0口相连，用于接收地址、命令和数据。

2.3 按键控制模块

本设计采用最简单的独立按键对系统进行控制。用五个独立按键分别连接P2.0至P2.4口。单片机上电初始化后，首先扫描键盘，当按下“开”按键并放开时，则启动电动机转动，否则一直扫描键盘，其他按键无效。需要注意的是：所有按键长按住无效，只有按下并放开才能完成一次相应的动作。

3系统软件部分的设计

3.1 系统程序流程图

系统的整个运行过程为：给整个系统上电单片机启动后，LCD初始化，进入键盘扫描程序，判断键盘是否按下，如果有键按下，消除抖动并执行相应的子程序，然后返回键盘扫描程序处于等候状态。

3.2 PWM信号产生

本设计通过定时器T0定时，来产生PWM信号。每1ms中断一次，一个周期内中断20次，即PWM波信号频率为50Hz。在中断处理程序中判断并输出高电平或低电平。

3.3 测速程序

本设计通过定时器T1来测定电机输出脉冲的宽度，从而计算电机转速。将工作方式寄存器TMOD中的对应于T1的门控位GATE置“1”，用外中断引脚（INT1）上的高电平来启动定时器T1运行，高电平结束时定时器停止，取出TH1和TL1的值，计算出高电平宽度，从而计算出电机输出脉冲的频率，并通过公式计算出电机的转速。

4 系统调试

本设计通过Proteus软件仿真来检验设计方案的可行性【4】。在Proteus中画出系统电路图，当程序在Keil C51中调试通过后，生成以hex为扩展名的文件，这就是使系统能够在Proteus中成功进行仿真的文件。

所有按键长按住无效，只有按下并松开时才能完成一次相应的动作。当按下“开”键并松开时，电机开始工作。若需要加快电机的转速，则按下“加速”键并松开，多次操作直到电机转速合适；相反，需要减慢电机的转速时，则按“减速”键。当然，在某些特定的环境下，还需改变电机的转向，此时，可以按一下“正反”键，以达到改变电机转向的目的。当不需要电机工作时，则按下“关”键。

用Proteus中的示波器观察直流电机以不同转速运转时，PWM信号的波形和电机输出矩形波的波形。直流电机速度值越大，PWM信号的占空比越大，电机输出矩形波的频率也越高。即电机速度值与PWM信号的占空比和电机输出矩形波的频率成正比。

5结束语

本文所述的直流电机调速系统是以单片机AT89C51为核心，而通过单片机来实现电机调速有多种途径，采用PWM软件方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本，它能够充分发挥单片机的效能。在硬件上采用H型桥式驱动电路，解决了电机驱动的效率问题。整个设计通过了Keil C51软件调试和Proteus仿真，大大简化了系统设计，缩短了开发周期。但该设计也有不足之处，主要是在关于速度的反馈控制上，缺少有效的PID控制算法，以至于转速还不是非常稳定。由于速度计算公式的精确度问题，使得测定的速度值与直流电机实际速度值也有一定的误差。

参考文献：

[1]贺益康，许大中.电机控制[M].第三版.杭州：浙江大学出版社，2010.9～48.

[2]孙冠群，于少娟.控制电机与特种电机及其控制系统[M].北京：北京大学出版社，2011.245～260.

[3]李维军，韩小刚，李晋.基于单片机用软件实现直流电机PWM调速系统[J].机电一体化，2004，5：49～51.

[4]江世明.基于Proteus的单片机应用技术[M].北京：电子工业出版社，2009.33～37.