PWM控制电机调速系统

摘要：提出一个基于PWM控制的直流电机控制系统，从硬件电路和软件设计两方面进行系统设计，介绍了调速系统的整体设计思路、硬件电路和控制算法。下位机采用MPC82G516实现硬件PWM的输出，从而控制电机的电枢电压，并显示电机调速结果。上位机采用LABVIEW软件，实现实时跟踪与显示。最后对控制系统进行实验，并对数据进行分析，结果表明该系统调速时间短，稳定性能好，具有较好的控制效果。

随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。电机采用微处理器控制的电压、电流、转矩、转速、转角等，实现全数字直流调速，控制精度、可靠性、稳定性、电机的性能得到提高。目前，PWM 调速成为电机调速的新方式，并凭借开关频率高、低速运行稳定、动态[1-6][5-6]性能优良、效率高等优点，在电机调速中被普遍运用。但很多文献提到的PWM 信号，多采用软件PWM调速，即通过单片机的中断实现，缺点是占系统资源，易受系统中断影响和干扰，造成系统不稳定。本文将针对这一点，设计一种基于硬件PWM 控制，调速时间更短的电机调速系统，并具有较好的稳定性能。

一、电机控制系统的整体设计

1.1 系统整体设计原理图

系统整体设计如图1所示，主要原理框图包括：LCD显示、按盘输入、测速模块、PWM调速模块四部分。电路原理图如图2所示：

图1

图2

1.2 PWM信号

PWM信号的产生采用硬件PWM信号，即不采用中断实现PWM信号，而是利用单片机MPC82G516的PCA模式，PCA设置成PWM模式直接产生PWM信号。频率取决于PCA定时器的时钟源，占空比取决于模块捕获寄存器CCAPNL与扩展的第9位ECAPNL的值。由于使用9位比较，输出占空比可以真正实现0%到100%可调，占空比计算公式为:

占空比=1-{ ECAPnH，[CCAPnH]}/256

在电源电压Ud 不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比η 的大小。通过改变η 的值可以改变电枢端电压的平均值，从而达到调速的目的。

1.3 测速模块

测速模块采用自带霍尔传感器并具有整形功能的直流电机调速板J1，该模块能实现电机正反转、测速、调速功能，并自带整形芯片，调试效果较好。通过霍尔

传感器把测速脉冲信号送单片机P3.2，由单片机P1.0送到测速模块第5 脚，控制电机正反转。PWM 信号由P1.2 送到测速模块第3 脚，实现电机的调速。

1.4 I/O接口电路

输入模块采用4 个按键S1、S2、S3、S4，接在单片机P1.4、P1.5、P1.6、P1.7，分别实现启动、加速、扩展功能、减速功能。电机正反转控制由P1.0 送到测速模块第1 脚。输出显示模块采用LCD1602，是一种内置8192 个16*16 点汉字库和128 个16*8 点ASCII 字符集图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/ 列驱动器及128×32 全点阵液晶显示器组成，可完成图形显示，也可以显示

7.5×2 个(16×16 点阵)汉字，与外部CPU 接口采用并行或串行方式控制。

二、电机调速系统的软件设计

2.1 程序流程图

当系统启动后，单片机进行初始化设置，单片机检测是否有键按下，再执行按键子程序，读取键值，调用中断，主单片机将传感器输入的信号进行计算，控制PWM 的输出，从而控制电机的转速，依次循环使电机趋于稳定值。系统主程序框图如图3 所示。

图3

2.2 上位机软件

系统由计算机控制单片机，从而控制直流电机的速度，PC 机做为上位机，单片机作为下位机。为了便于查询和保存数据以及通过PC 机调直流电机速度。上位机采用美国NI 公司LabVIEW 软件。LabVIEW 是一种图形编程语言，通常称为G 语言，具有开放的环境，能和第系统通过PC 机与单片机串口实现三方软件轻松连接通讯，构成一个数据采集系统。4 为LabVIEW 软件程图序框图。

图4

三、系统测试与分析

PWM 信号的输出，实现对直流电机转速进行控制的方法。利用上位机LabVIEW 软件，可得到电机调速结果。图5 为电机空载情况下的调速结果，测量数据结果如表1。

图5

数据分析：

启动段，电机转速从零上升到53 r/s，只需用6 s，并很快趋于稳定；

加速段，电机转速从53 r/s 上升到86 r/s，只需用5 s，并很快趋于稳定；

减速段，电机转速从86 r/s 下降到53 r/s，只需用7 s，并很快趋于稳定。

从数据中看出，通过PWM 调速，电机转速变化至稳定，若不考虑按钮灵敏度，基本保持在5 s 左右，并能很快趋于稳定，较好地满足设计要求。

四、PWM调速程序介绍

PWM调速通过改变一定频率方波脉冲的占空比来改变电机速度，本设计脉冲周期恒定,本设计通过把方波分成160份，改变高低脉冲的份数来改变PWM的波形，单片机PWM调速的程序代码如下所示：

void control()

{

EA=1;

while(1)

{ if(a>=150)

a=150;

if(a<=10)

a=10;

P1_1=0;

delay(160-a);

P1_1=1;

delay(a);

key=GeyKey();

if(key=='-') a-=n;

else

if(key=='+') a+=n;

else

if(key=='=')

{ P1_0=1;

dprintf(0,72,"方向: 顺时针");

}

else

if(key=='c')

{ P1_0=0;

dprintf(0,72,"方向: 逆时针");

}

else

if(key=='*')

{ P1_1=0;

break;

}

else

if(key!=0)

break;

}

EA=0;

}

总结

本设计中，调速是系统的主要功能，通过研究直流电动机的机械特性，得出了几种常见的改变转速的方法，因调压调速可实现额定转速以下大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。这种方法在直流电力拖动系统中