基于8051的直流电动机PWM调速系统的设计

0 前言在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备，还是在日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。

据资料统计，现有90%以上的动力源来自与电动机，我国生产的电能大约有60%以上用于电动机。

电动机与人们的生活息息相关，密不可分。

我们都知道，动力和运动是可以相互转换的，从这个意义上讲，电动机也最常用的运动源。

对运动控制的最有效的方式是对运动源的控制，因此，常常通过对电动机的控制来实现运动的控制。

实际上国外已将电动机的控制改为运动控制。

电动机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。

正是这些技术的进步，使电动机控制技术在近二十多年内发生了翻天覆地的变化。

随着计算机进入控制领域以及高开关频率、全控型电力半导体器件的发展，脉宽调制（PWM）的直流调速系统在调速控制中得到越来越普遍的使用。

PWM(脉冲宽度调制)功率放大器具有功耗低，效率高，体积小，价格低，工作可靠等优点，并且大大降低了电路的复杂度，提高了系统的可靠性。

因此，直流电动机采用PWM调速已经得到了广泛的应用，在传统的调速系统中一般采用硬件作为脉冲发生器的方式，应用的元件较多，同样会增加电路的复杂程度。

为此，本文介绍一种靠软件发出脉冲信号来实现直流电动机调速控制的方法，本系统具有功率器件体积小，功率大，损耗低，控制灵活简单，效率高的特点。

1 概述直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。

长期以来，直流电动机一直占据着调速的统治地位。

由于它具有良好的调速特性，简单的控制性能，较高的效率，优异的动态特性；尽管近年来不断受到其它电动机（如交流变频电动机、步进电机等）的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的最优先选择。

近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。

随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（pulsewidth modulation,简称PWM）控制方式已成为绝对主流。

这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。

本设计介绍了利用单片机和脉宽调制控制技术对直流电动机进行调速控制的方式和实现的方法。

1.1直流电动机控制研究现状19世纪70年代前后相继诞生了直流电动机和交流电动机，从此人类社会进入了以电动机为动力设备的时代。

以电动机作为动力机械，为人类社会的发展和进步、工业生产的现代化起到了巨大的推动作用.在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。

电动机负荷约占总发电量的70％，成为用电量最多的电气设备。

电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。

对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种。

简单控制对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。

这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。

复杂控制是对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。

以前对电动机的简单控制应用较多，但是，随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机的复杂控制变成主流，其应用领域极其广泛。

电动机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。

正是这些技术的进步，使电动机控制技术在近二十多年内发生了翻天覆地的变化。

其中电动机控制部分已由模拟控制让位给以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统的应用，并向全数字控制系统的方向快速发展。

电动机驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代，目前开关速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFE和TIGBT成为主流。

功率器件控制条件的变化和微电子技术的应用也使新型的电动机控制方法能够得以实现。

脉宽调制控制方法（PWM和SPWM），变频技术在直流调速和交流调速中获得了广泛的应用。

永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机、交流伺服电动机，开关磁阻电动机、超声波电动机、专为变频调速设计的交流电动机等。

直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。

与交流电机相比，直流电动机因结构复杂、维护困难、价格较贵等去诶按制约了它的发展，应用不如交流电机广泛。

但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍再有一席之地。

1.2直流电动机的单片机控制计算机一方面向着高速、智能化超级巨型机方向发展，另一方面向微型机方面发展。

单片微型计算机（简称单片机）异军突起，发展迅速，目前已成功地运用在智能仪表、几点设备、过程控制、数据处理、自动检测和家用电器等各个方面。

依靠一定的硬件基础，针对特定的控制目的，实现一个高可靠性、高可行性、高效率的计算机应用控制系统，是现代工业和社会发展的迫切需要。

单片机体积小，成本低，可以方便地组成各种智能化的控制设备和仪器；另外其功耗低，速度快，效率高，可以完成各种控制任务；尤其是单片机的抗干扰能力强，性能可靠，可以使用在各种恶劣的工作环境中，有着其他机种不可比拟的优点。

单片机产品在生活的各个领域都得到了广泛的应用。

单片机是微型计算机家族中的一个重要分支，发展迅速，应用广泛，在工业控制、智能化仪器仪表系统等领域中日益显示着强大的生命力。

采用HMOS工艺制造的MCS-51单片机有40个引脚，双列直插式封装，起逻辑符号及引脚排列如图（1-1）所示。

由于制造工艺的限制，许多引脚都有第二功能。

MCS-51单片机的40个引脚按功能不同可分为4个部分：(1)主电源引脚Vcc、Vss(2)外接晶体引脚1XTALXTAL、2(3)控制信号引脚(4)I/O端口引脚单片机的特点：（1） 集成度高、体积小、重量轻 （2） 抗扰能力强、可靠性高 （3） 运行速度快、控制能力强 （4） 使用方便、易于产品化 （5） 开发使用方便由于单片机构成的控制系统硬件结构简单、开发周期短、控制功能强、可靠性高，因此，在达到同样功能的条件下，用单片机开发的控制系统比用其他微型计算机开发的控制系统价格便宜。

高性能、低价格是单片机的一个显著特点。

图1-1 MCS-51引脚图 Fig. 1-1 MCS-51 pin diagram1.3 PWM 控制技术PWM 控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。

PWM控制技术在晶闸管时代就已经产生，但是为了使晶闸P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7XTAL2XTAL1Vss管通断要付出很大的代价，因而难以等到广泛应用。

以IGBT、电力MOSFET等为带便的全空性器件的不断完善给PWM控制结束提供了强大的物质基础，推动了这项技术的迅猛发展，使它运用到交-直、直-直、交-交、直-交所有四大类变流电路中。

PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。

PWM控制技术在逆变电路中的应用最为深刻。

正是由于PWM控制技术在逆变电路中的广泛而成功的应用，才奠定了PWM 控制技术在电力电子技术中的突出地位。

现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路。

可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，才确定了它重要地位。

近年来，PWM技术在整流电路中也开始应用，并显示了突出的优越性。

2 直流电动机调速系统在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。

直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。

研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

2.1 直流电动机的工作原理根据电磁学基本知识可知，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。

如果导体在磁场中的长度l，其中流过的电流为i，导体所在处的磁通密度为B，那末导体受到的电磁力的值为式（2-1）F (2-1)B l i如图2-1中N、S极下各根导体所受电磁力的方向，如图中箭头所示。

电磁力对转轴形成顺时针方向的转矩，驱动转子而使其旋转。

由于每个磁极下元件中电流方向不变，故此转矩方向恒定，称为直流电动机的电磁转矩。

如果直流电动机轴上带有负载，它便输出机械能，可见直流电动机是一种将电能够转化成机械能的电气装置。

直流电动机是可逆的，他根据不同的外界条件而处于不同的运行状态。

当外力作用使其旋转，驶入机械能时，电机处于发电机状态，输出电能；当在电刷两端施加电压输入电能时，电机处于电动机状态，带动负载旋转输出机械能。

F图2-1 直流电动机工作原理图Fig. 2-1 DC motor operating principle2.2 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环控制直流调速胸膛那个是性能很好、应用最广的直流调速系统。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

二者之间实行串级联接，如图2-2所示。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE 。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。

这就是形成了转速、电流双闭环调速系统。

+-图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统 Fig. 2-2 Speed and current double closed loop DC system为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电流原理图如图2-3所示。

图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc 为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR 的输出限幅电压Uim 决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR 的输出限幅电压Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm 。

图2-3 双闭环直流调速系统电路原理图Fig. 2-3 Double Loop DC Speed Control System circuit diagram2.2.1 转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压U变化，稳态时可减少转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。

n（2）对负载变化起抗扰作用。

（3）起输出限幅决定电动机允许的最大电流。

2.2.2 电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟变化。