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

陈炜炜

1，2

①

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件，

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

TH862

PWM

单片机

A

文章编号

1000-3932(2019)03-0218-05

中图分类号

文献标识码

电动机可将机械能转换为电能，应用十分广控制电动机速度的方法有泛。在工业生产领域，

其中模拟法应用最广。模拟法是通过继电多种，

实现电动机的启动、正反转等控器等电气元件，

对电动机的转速等物理量的控制，在工业调速制，

方面还有待更进一步的研究分析

［1］

PWM通过集成芯片机发出PWM控制信号，

L298N完成对直流电机速度的控制，通过单片机之后在LCD的计数功能对电机的速度进行采集，显示

［4～6］

。

。

调节电动机的转速一直都是工业生产部门和一般采用固定调速或电力系统关注的重点之一，

调速系统设计控制系统实现电动机调速。目前，因其优良分为两大类：一是直流电机的控制调速，良好的运作和控制，是调速系统的主的平滑特性、要形式

［2，3］

；另一类是交流调速系统，但是在理论

1．21．2．1

和实践方面还处于研究分析的起步阶段。近年随着自动控制技术、微电子技术及现代控制理来，

PWM控制技术随之快速发展，其技论等的发展，

术研究一直稳步前进。笔者基于AT89C52单片以PWM控制电机转速，构建直流电机控制系机，统。11．1

系统组成原理与电路模块设计系统结构与工作原理

笔者设计的直流电机调速系统如图1所示，

直流电机的主体结构主要包括单片机AT89C52、按键调速模块和LCD显示模块。单片驱动模块、

①

图1直流电机调速系统总体框图

PWM生成与调速PWM的优点

PWM波的形成可以看作是由单片机通过编

也可以看作是脉宽调制专用芯片的作程输出的，

当频率上升用。PWM波对电机的性能要求较高，

如果直流电机驱动的功率太低将无法到很高时，

而当频率开始下降并降到承载PWM波的运作，

所以PWM波的很低时电动机驱动又出现噪声，

直流电机才能够使用频率应该控制在18Hz左右，以较好的状态运作

［2，7，8］

。

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。

），ydzhan@163．com。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，

第3期陈炜炜等．基于单片机的直流电机PWM调速系统219

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］

。

1．2．3

CD4051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。

220化工自动化及仪表第46卷

图3

3

PWM调速仿真分析

直流电机调速系统的总电路

之变小。

4

理论验证

占空比是指在一串理想的脉冲周期序列中，

也即正脉脉冲信号的通电时间与通电周期之比，

冲的持续时间与脉冲总周期的比值。从实验中可

调节占空比可直接改变直流电机的速度。以看出，

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

恒压源与执行机构相连，当输出指令为高电压时，

恒压源与执行机构断开。据此指令为低电压时，可得：占空比=

理想电压

×100%。

标准电压

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10%、20%、设置占空比分别为0%、改变占空比，

30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%10个挡由单片机产生PWM波形通过驱动模块来控位，

电动机转速在LCD1602制电动机的转动和转速，

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

固定不变；红色波纹（最下方的线）为输出1kHz，

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脉冲方波的频率和周期也在不变化而不断变化，

调节PWM断变化。当保持电机各参数不变时，

占空比，占空比越大，电机的平均速度也会随之逐

电机转速周期会随之变小，转速频率会随渐变大，

则电机的平均速度也之变大；PWM占空比越小，

电机转速周期随之变大，转速频率随会逐渐变小，

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、电感和据此列出感应电动势的压降之和等于电源电压，

dia

VCＲ方程，，即ua－uq=iaＲa+La其中ia是电

dtLa是电枢电感，Ｒa是电枢电阻，ua是电枢枢电流，

uq是感应电动势；输入电压，

b．从转矩－电流曲线的线性估算可得电机

其中Kt是电机的转矩常数；电磁转矩Tg=iaKt，

第3期陈炜炜等．基于单片机的直流电机PWM调速系统221

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udθ

q=Kgdt，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Td2θdθg=jdt2+Bdt，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U－iaＲa－Ldia

a

n=

dt

K，其中U是标准电枢电压，φ

gφ

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，222化工自动化及仪表第46卷

直流电机的电枢电压会随之增大，直流电机的平

电机的转速频率也越大，电机的转均速度也越大，

直流电机的电枢电压速周期会变小；占空比越小，

直流电机的平均速度也越小，电机也会随之减小，

电机的转速周期会变大。的转速频率也越小，

可以看出，以上仿真结果与理论分析的结论是证实了笔者所提方案的可行性与正确性。一致的，5结束语

基于单片以直流电机控制系统为研究对象，

L298N驱动模块和LCD1602显示模机AT89C52、

构建直流电机调速控制系统，对直流电机的转块，

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

具有操作简单、灵活、安全、可靠且易调节和显示，

便于工程师及时掌握系统的运行状维护等特点，

况。

参

考

文

献

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DesignofMCU-basedPWMSpeedＲegulationSystemforDCMotor

2

CHENWei-wei1，，ZHANYue-dong1

（1．FacultyofInformationEngineeringandAutomation，KunmingUniversityofScienceandTechnology；2．ElectricPowerＲesearchInstitutePostgraduateWorkstation，YunnanPowerGridLimitedLiabilityCorporation）

AbstractTakingaAT89C52MCUascoreandadoptingL298NintegratedICanditsexternalauxiliarycircuit

toconstitutedrivecircuitwereimplemented，includingmakinguseofMCUinterfaceandemployingPWMtocontrolDCmotor＇srevolvingspeedtoestablishaDCmotorcontrolsystemandadoptingutilitysoftwarelikeKeil4andProteus8toprogram，designandtosimulatethecircuitsystem．TheAT89C52MCUgivesoutPWMspeedregulationsignalsanddrivesDCmotorthroughtheL298NdrivemoduleandcompletesspeedcontroloftheDCmotorbychangingthedutyratio．Keywords

DCmotorcontrolsystem，PWM，SCM