基于单片机的直流电机PWM调速系统

基于单片机的直流电机PWM调速系统①陈炜炜1，2詹跃东1（1．昆明理工大学信息工程与自动化学院；2．云南电网有限责任公司电力科学研究院研究生工作站）摘要以AT89C52单片机为核心，采用集成芯片L298N及其外部辅助电路构成驱动电路。

通过单片机接口，以PWM控制电机的转速，构建了一个直流电机控制系统。

采用Keil4和Proteus8作为工具软件，对电路系统进行编程、设计和仿真。

由单片机发出PWM调速信号，经L298N驱动模块驱动直流电机，通过改变占空比来实现直流电机的调速控制。

关键词直流电机控制系统PWM单片机中图分类号TH862文献标识码A文章编号1000-3932(2019)03-0218-05电动机可将机械能转换为电能，应用十分广泛。

在工业生产领域，控制电动机速度的方法有多种，其中模拟法应用最广。

模拟法是通过继电器等电气元件，实现电动机的启动、正反转等控制，对电动机的转速等物理量的控制，在工业调速方面还有待更进一步的研究分析［1］。

调节电动机的转速一直都是工业生产部门和电力系统关注的重点之一，一般采用固定调速或设计控制系统实现电动机调速。

目前，调速系统分为两大类：一是直流电机的控制调速，因其优良的平滑特性、良好的运作和控制，是调速系统的主要形式［2，3］；另一类是交流调速系统，但是在理论和实践方面还处于研究分析的起步阶段。

近年来，随着自动控制技术、微电子技术及现代控制理论等的发展，PWM控制技术随之快速发展，其技术研究一直稳步前进。

笔者基于AT89C52单片机，以PWM控制电机转速，构建直流电机控制系统。

1系统组成原理与电路模块设计1．1系统结构与工作原理如图1所示，笔者设计的直流电机调速系统的主体结构主要包括单片机AT89C52、直流电机驱动模块、按键调速模块和LCD显示模块。

单片机发出PWM控制信号，PWM通过集成芯片L298N完成对直流电机速度的控制，通过单片机的计数功能对电机的速度进行采集，之后在LCD 显示［4 6］。

图1直流电机调速系统总体框图1．2PWM生成与调速1．2．1PWM的优点PWM波的形成可以看作是由单片机通过编程输出的，也可以看作是脉宽调制专用芯片的作用。

PWM波对电机的性能要求较高，当频率上升到很高时，如果直流电机驱动的功率太低将无法承载PWM波的运作，而当频率开始下降并降到很低时电动机驱动又出现噪声，所以PWM波的使用频率应该控制在18Hz左右，直流电机才能够以较好的状态运作［2，7，8］。

①基金项目：国家自然科学基金项目（51667012）。

作者简介：陈炜炜（1993-），硕士研究生，从事电力电子技术、高电压防雷技术的研究。

通讯作者：詹跃东（1963-），教授，从事电力电子技术、分布式电源接入技术等的研究，ydzhan@163．com。

PWM之所以被广泛使用，是因为它的两个优点［9，10］：a．无论是处理器发出的信号还是被控制系统获得的信号，都无需进行A/D或D/A转换，以数字形式输入输出。

无论是数字形式的输入信号，还是数字形式的输出信号，都可以降低噪声，保证程序正常运行。

b．PWM对噪声有强大的抵抗力，当模拟信号向数字信号转换时，可以延长距离，使得通信畅通无阻，再经过滤波电路，将高频率脉冲方波过滤后，使得数字信号完好无缺地转换为模拟信号。

1．2．2改变占空比的方法改变PWM脉冲占空比共有3种方法：a．调频。

调节电压，使脉冲电压达到低电平，在此时间段T1内，时间段T1的变化使得PWM脉冲占空比变化，从而电机两端的平均电压也随之变化，达到控制电机速度变化的目的。

b．调宽。

调节电压，使脉冲电压达到高电平，在此时间段T2内，时间段T2的改变使得PWM脉冲占空比变化，从而电机两端的平均电压也将发生变化，达到控制电机速度变化的目的。

c．调宽调频。

调节电压，使得脉冲电压同时处于达到低电平的时间段T1和达到高电平的时间段T2，此时PWM脉冲占空比变化，电机两端的电压也将随之变化，达到控制电机速度变化的目的［11 13］。

1．2．3CD4051模拟通道本设计选用CD4051八选一模拟通道。

CD4051是具有低截止漏电流和低导通阻抗的模拟电子开关。

有8个数字控制的通道。

最大的特点是，低幅值的数字信号可以控制高峰值的模拟信号，例如当一个数字信号的幅值为0 5V 时，它可以控制的模拟信号的幅值范围最高可以达到20V。

CD4051具有3个二进制输入端和INH输入端，当一个3位的二进制信号选用CD4051八选一模拟通道时，经过其中一个通道，可以将输入端连接至输出端。

当INH输入端为1时，所有通道截止。

在整个电源范围内，CD4051这些开关电路的静态功耗极低，与自身所在电路有关，与控制信号的逻辑状态无关。

1．3直流电机调速电路本设计选择L298N芯片作为直流电机驱动芯片。

L298N是一种非反相半桥型电机驱动芯片，双H桥结构，每个H桥可以提供2A的电流，功率部分的供电电压范围是2．5 48．0V，逻辑部分为5V供电，接收5V的TTL电平，内部包含4通道逻辑驱动电路。

无论是两个直流电机还是一个两相步进电机，L298N都可以简单驱动，达到实验所要求的效果。

驱动芯片L298N上共有15个引脚，包括ENA、ENB、IN1 IN4、VCC、GND及OUT1 OUT4等重要驱动引脚。

直流电机旋转的条件是驱动模块ENA和ENB上的TTL电平均为高电平。

直流电机正反转必须具备的条件如下：a．ENA=1，IN1=1INT2=0，电机1正转；b．ENA=1，IN1=0，IN2=1，电机1反转；c．ENB=1，IN1=1，INT4=0，电机2正转；d．ENB=1，IN3=0，IN4=1，电机2反转［14，15］。

2系统软件流程与总电路运用Keil4软件设计系统主程序。

基于AT89C52单片机的直流电机调速系统的主程序如图2所示。

图2直流电机调速系统主程序笔者设计的基于AT89C52单片机的直流电机调速系统的总电路如图3所示。

图3直流电机调速系统的总电路3PWM调速仿真分析采用Proteus软件对系统进行设计并进行仿真调试。

仿真通过PWMＲEGULATION按键调速改变占空比，设置占空比分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%10个挡位，由单片机产生PWM波形通过驱动模块来控制电动机的转动和转速，电动机转速在LCD1602显示屏上实时显示，而脉冲方波则在示波器显示，最后对转速和形成的方波进行分析。

图4为仿真所得不同占空比时的转速。

示波器会出现3种颜色的波纹：黄色波纹（最上面的线）为PWM输出；蓝色波纹（中间的线）为定时器输出1kHz，固定不变；红色波纹（最下方的线）为模拟转速脉冲方波。

可以看出，电机的平均速度会随着占空比的变化而不断变化，脉冲方波的频率和周期也在不断变化。

当保持电机各参数不变时，调节PWM 占空比，占空比越大，电机的平均速度也会随之逐渐变大，电机转速周期会随之变小，转速频率会随之变大；PWM占空比越小，则电机的平均速度也会逐渐变小，电机转速周期随之变大，转速频率随之变小。

4理论验证在一串理想的脉冲周期序列中，占空比是指脉冲信号的通电时间与通电周期之比，也即正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。

从实验中可以看出，调节占空比可直接改变直流电机的速度。

但从理论上分析，调节占空比为调节执行机构的电压，从而实现对直流电机速度的改变。

当输出指令为高电压时，恒压源与执行机构相连，当输出指令为低电压时，恒压源与执行机构断开。

据此可得：占空比=理想电压标准电压ˑ100%。

直流电机各参数的计算式如下：a．据基尔霍夫电压定律可知，电阻、电感和感应电动势的压降之和等于电源电压，据此列出VCＲ方程，即ua－uq=iaＲa+Lad iad t，其中ia是电枢电流，La是电枢电感，Ｒa是电枢电阻，ua是电枢输入电压，uq是感应电动势；b．从转矩－电流曲线的线性估算可得电机电磁转矩Tg=iaKt，其中Kt是电机的转矩常数；图4仿真结果c．根据感应电动势电压与转子转速成正比，可得感应电动势uq=Kgdθd t，其中Kg是感应电动势常数，θ为电机输出的转角；d．根据牛顿第二定律可得电机电磁转矩Tg=jd2θd t2+Bdθd t，其中j是转动惯量，B是粘性阻尼系数；e．根据直流电机转速公式，可知电机的转速n=U－iaＲa－Lad iad tKgφ，其中U是标准电枢电压，φ是励磁磁通。

根据仿真中对电机的参数设计，对直流电机进行参数假定：Ｒa=86Ω，La=20mH，φ=0．05，Tg =0．3N·m，Kt=0．05N·m/A，Kg=0．05V/krpm。

根据仿真中的参数设计，假设直流电源电压V= 12V，并对电机参数进行计算。

根据计算数据，绘制占空比与电枢电压关系曲线（图5）和占空比与转速关系曲线（图6）。

图5占空比与电枢电压关系曲线图6占空比与转速关系曲线通过电机频率与速度的关系，可得n=60fp。

其中，f是电机的转速频率，p是电机旋转磁场的极对数，通过对实验参数的分析，这里p取1。

当p不变时，电机的转速和频率成正比；电机的转速越大，频率也越大；电机的转速越小，频率也越小。

通过以上理论分析可知，当保持直流电机参数相同时，调整直流电机的占空比，占空比越大，直流电机的电枢电压会随之增大，直流电机的平均速度也越大，电机的转速频率也越大，电机的转速周期会变小；占空比越小，直流电机的电枢电压也会随之减小，直流电机的平均速度也越小，电机的转速频率也越小，电机的转速周期会变大。

可以看出，以上仿真结果与理论分析的结论是一致的，证实了笔者所提方案的可行性与正确性。

5结束语以直流电机控制系统为研究对象，基于单片机AT89C52、L298N驱动模块和LCD1602显示模块，构建直流电机调速控制系统，对直流电机的转动和转速进行有效的控制和调节。

电路系统实现了对电机转动的简单控制以及对转速的动态实时调节和显示，具有操作简单、灵活、安全、可靠且易维护等特点，便于工程师及时掌握系统的运行状况。

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