单片机控制的PWM直流调速系统设计

雷金莉

摘要：为提高直流调速系统的控制精度和节约开发成本，提出一种以单片机STC89C54RD+为核心的PWM调速器设计方案。利用单片机产生PWM信号，采用双闭环PI控制调节PWM信号的占空比，以改变直流电机电枢电压，从而调节转速。运用Proteus和Keil进行了软硬件仿真实验，结果表明：所设计电路能产生正确的PWM信号，实现电机调速，且可以节约开发成本。

关键词：单片机;PWM;直流电机;Proteus仿真

一、引言

直流电机具有良好的起动、制动和调速性能，广泛的应用于工业、航空航天、交通运输等领域[1]。脉宽调制（PWM）直流调速方法，具有精度高、响应快、调速范围宽，易于实现等特点[2]，成为直流调速系统最常用的调速方法。本文给提出一种以STC89C54RD+单片机为核心，结合L298 驱动构成的直流双闭环PWM 调速实现方法。

二、PWM调速方法

（一）直流电机调速原理

直流电机的转速可通过电枢控制法和磁场控制法来调节。电枢控制法通过改变电枢端电压而达到调速的目的，易于实现，因此广泛应用于直流调速系统中。

PWM调速是根据给定的频率，调节驱动电路开关器件的接通和关断时间（占空比），使其输出电压的脉冲宽度改变，从而改变了输送到电枢电压的幅值，以达到改变直流电机转速的目的。PWM调速具有控制电路简单、功耗小、响应快以及控制精度高等优越性。

（二）PWM调速的控制方法

PWM调速是调节脉宽的宽度以实现调节输出电压。占空比越大，输出的脉冲幅度越高，即电压越高，电机的转速升高。PWM常用的控制方法有三种：定宽调频、定频调宽和调频调宽。

定宽调频和调频调宽调制方法都改变了时间总周期（频率），可能会使得控制频率与系统的固有频率相接近，很容易造成系统的振荡。定频调宽方式不改变信号频率，可以保证系统的稳定性，因此，设计中采用定频调宽PWM方法。

三、硬件设计

近年来，随着微电子技术的发展，PWM控制器向着集成化、小型化和智能化方向发展。本设计以单片机STC89C54RD+为核心设计了一个直流电机调速系统。

（一）PWM直流电机调速系统的组成

直流电机调速系统的结构框图如图1所示，系統主要由单片机系统、电机驱动电路、转速检测和键盘显示电路组成。转速检测电路测得电机的当前速度通过输入口 反馈到单片机中，单片机将反馈的转速与系统给定的电机速度进行比较，所得的偏差经过转速、电流双闭环PI调节，得出控制量，以PWM 的形式输出，经过电机驱动电路进行功率放大，驱动直流电机。

（二）PWM驱动电路

PWM信号从单片机的P1口输出，控制器根据给定的电机转速和检测电路反馈的电机转速的差值来确定定时计数器的计数值，从而调节PWM信号的占空比。本系统采用H桥式驱动电路驱动电机。

四、软件设计

程序由主程序、初始化子程序、转速检测子程序、PWM生成子程序等组成。调速系统的工作流程是：系统上电，初始化完成后，转速检测子程序获取实时转速，PWM生成子程序把给定速度与实际速度进行比较，采用PI控制算法生成控制量，该控制量用来调控PWM的占空比经驱动模块功率放大后驱动电机。

五、仿真实验

为验证所设计的系统的有效性，采用Proteus进行仿真，仿真实验用直流电机供电电压为12V，可通过显示器观察电机的实时转速，也可通过程序设置显示实时的PWM占空比。图2是占空比为30%时输出的PWM信号。

通过仿真实验可以看出，所设计的调速系统可实时观测到系统的占空比和电机转速，当占空比变化时，PWM波形随之发生变化，电机的转速也随之改变，达到调节电机转速的目的。

六、结论

本文以单片机STC89C54RD+为核心设计了一个直流电机PWM调速系统，运用PI控制算法调节。通过仿真软件Proteus和Keil软件进行了软硬件的仿真实验，仿真实验结果表明：所设计的直流调速系统能够通过改变PWM信号的占空比来实时调整电机转速。

参考文献：

[1] 司开波，黄健，吕林涛. 基于STM32的直流电机调速新方法[J]. 宇航计测技术， 2018， 38（02）： 87-91.

[2] 黄健. 基于PI控制的直流电机调速控制系统的研制[J]. 宇航计测技术， 2017， 37 （06）： 75 -78+87.

[3 ] 李瑾. 基于51单片机的PWM直流调速风扇控制系统[J]. 机械工程与自动化， 2018（01）： 187-189.

[4]  徐敬成，凌云，李明，侯文浩. 新型直流电机PWM调速装置设计[J]. 新型工业化，2018，8（07）： 12-16.