基于PWM驱动的直流电机的测速与控制

基于PWM驱动的直流电机的测速与控制

【摘要】本文提出了一种测量PWM驱动的直流电机转速的方法，它是由软硬件两大部分构成的，硬件部分由直流电源模块，电机PWM驱动模块，速度检测模块，还有速度显示模块构成。而软件部分则由C语言编写而成，最后结果AT89C51单片机来实现功能。本设计中使用PWM驱动直流电机，然后通过光敏器件H21A3计算单位时间内由直流电机产生的脉冲数，将脉冲数送至单片机进行转速的计算，最后将结果送数码管显示出来。其中可以通过调节电机PWM驱动模块中的变阻器，对直流电机的转速进行调节，从而实现不同转速下PWM直流电机的测速。

【关键词】PWM 直流电机单片机 H21A3 脉冲计算

1.前言

直流电机由于具有体积小巧，使用方便，调速简单等优点，被广泛的应用在各类控制系统中。其中转速是直流电机的一个重要物理指标，定义为电机转轴单位时间内转过的圈数。转速测量的准确度直接影响着对直流电机的准确控制以及系统的风险性。目前市面上的转速测量仪器的种类很多，按其工作原理还有采样方式大体上可以分为机械式，光电式，电磁式还有频闪式等等[1]，其中由于科学技术的发展，机械式测量电机转速已经逐渐的被市场淘汰，光电式测量转速因其实现简单，测量准确度高，已经成为了主流的测速技术之一。为此，本文提出了一种PWM驱动直流电机与转速测量系统的设计方法，为直流电机控制、测速以及应用提供一些借鉴。

2.整体方案

本系统以AT89C51单片机及H21A3光敏器件为核心，设计出基于PWM驱动的直流电机测速与控制电路。如图2-1所示，直流电源先通过①给各模块供电，然后转速检测模块通过②H21A3计算单位时间内产生的脉冲数，③送至单片机的P0.4口并计算，最后得出的结果在④四位数码管显示出来。其中转速显示与控制模块的三个按键可以实现对直流电机不同转速下的实时转速检测。

图2-1 系统原理框图

根据设计要求我们将采用如下几个模块来完成本设计的硬件部分

3.电路实现

3.1 直流电源模块

直流电源模块如图3-1所示

图3-1 直流电源模块

因为用分立元件组装而成的直流稳压电源具有组装，调试维修麻烦，所占的体积较大等缺点，所以在电子设备日益小型化微型化的今天，我们采用集成芯片组成的电路来代替分立元件组成的稳压电源电路。在本设计中，由于我们需要为单片机还有PWM驱动电路提供+12V +5V直流电源，所以我们选用7812，7815两种芯片，7812，7815是一种“三端稳压器”，之所以称为三端稳压器，是因为它总共有三个角，一个输入端，一个输出端，还有一个地端，它们的输出电压默认时是不可调的，因此稳压效果好。在图3-1中，我们使用三个大容量的电解电容，然后在直流稳压电路的输出端加三个小的普通电容，改善了直流稳压电路瞬态负载响应特性[2]。

3.2 电机PWM驱动模块

电机PWM模块如图3-2所示

图3-2 电机PWM驱动模块

该模块主要是由LM324还有场效应管IRF521构成的，但是由于IRF521市面上很难买到，所以我们用IRF530来代替。U1A还有U1D组成了振荡器电路，可以提供约为400MHZ的方波与三角波，U1A是

单电源情况下也能工作而不需要正负双电源的问题。U1B则起比较器的作用，它的反向输入端（6脚）接入电阻VR1,R6,R7，用来提供比较器的参考电压与U1D的输出端（14脚）的三角波形电压进行比较。当该电压波形的电压高于U1B的6脚电压时，U1B的7脚输出为高电平，反之，当该波形的电压低于U1B 的6脚电压时，U1B的7脚输出为低电平，所以我们可以知道，改变U1B的6脚电压，可以增加或者减少输出波形的宽度，实现PWM调制。电阻R6,R7可以用来控制VR1的范围，保证在调节VR1时可以实现输出的全开或者全关[3]。

因为市面上很难买到IRF521，所以我们使用场效应管IRF530来代替。在这里IRF530用作电流放大作用，来驱动负载。前面电路提供的不同宽度的信号通过G来控制IRF530的通断。LED1的亮度可以用来指示电路输出的脉宽。C3可以用来改善电路输出波形还有减轻电路的射频干扰。D1是用来防止电机的反电动势损坏场效应管IRF530.

PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”[5]。

用PWM脉宽调制方式来驱动直流电机还有实现调速的其中一个优点是电源的能量可以得到充分的利用，电路的转换效率会达到一个比较高的水平。比如当输出为50%的方波时，脉宽调制电路消耗的能量也差不多为50%，即几乎所有的能量都转换为负载功率输出。而我们如果采用常用的电阻降压调速时，要想使负载实现电源最大输出功率50%的功率时，电源就必须提供70%的输出功率，这其中20%的差额是损失在电阻的压降还有热耗上面的，相当于白白浪费了能量，所以我们在设计中使用PWM方式来驱动还有控制直流电机的运行，该PWM电路具有耗能低，调速灵敏，实时性好等优点。

当然，使用PWM脉宽调制来驱动电路也存在一些缺点，比如电路的构成会比较复杂，还会产生一些射频干扰。所以在制作本设计的时候将负载与控制器放在一起，否则它们之间的连线过长会对其他元件造成干扰，当然也可以增加滤波器的办法来解决干扰的问题[4]。

LM324简介如下图3-3所示，

图3-3 LM324简介

LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装。，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，LM324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此