基于51单片机的PWM直流调速系统

基于51单片机的PWM直流调速系统

李彤

重庆交通大学

摘 要：在当今社会，自动控制系统遍及我们生活的各个领域，在工业自动化中的应用也及其普遍，如：数控设备，工业机器人，电动机农业等。而驱动这些设备的动力系统大多为直流电机，直流电机也因其有良好的启动性能，调速性能被广泛应用。

单片机简单来说就是集CPU（运算、控制）、RAM（数据存储-内存）、ROM（程序存储）、输入输出设备（串口、并口等）和中断系统处于同一芯片的器件，是一种功能强，体积小，可靠性高的大规模集成电路器件，乘法和除法指令，也给编程也带来了便利。PWM（脉冲宽度调制）调速技术是直流电机中最常见的一种调速技术。该调速技术有需要的元器件少，电路构造简单，精度高，范围广和无极调速等优点，成为直流电机的主流调速技术之一，同时也促进了工业化的发展。

本文主要介绍直流电机的调速系统，该系统为用51单片机发出PWM信号，通过改变PWM信号占空比来实现直流电机的调速。并通过L298驱动模块来驱动电机。在直流电机调速过程中，需要采用一些按键对系统调速进行控制。在本系统中主要采用的是按键的方式进行控制，将四个按键分别连接到单片机的四个引脚上。同时通过转速和电流双闭环直流调速系统，采用模糊控制的PID控制器对该系统进行控制，到达一个理想的速度。

关键词：直流电机；单片机；PWM调速；L298

1研究背景及意义

1.1国内外研究现状

电机的历史非常悠久，自从第二次工业革命-电气化时代以来，电机就开始广泛参与人类生活的各个方面。按工作电源种类来进行划分，电机可以分为交流电机与直流电机两大种类。电机的转速控制是电机控制的最终目标，对应于电机的控制，交流调速系统与直流调速系统是电机自动控制系统中的两个重要组成部分。直流调速系统与交流调速系统相比，具有调速精度高、调速范围广的特点，并且其变流装置控制简单，并具有更好的启动与制动性能。在调速性能要求比较高、大功率、大扭矩的场合，如轧钢厂，海上钻井平台，直流调速系统仍占据主导地位。

目前，世界上很多工业领域的知名企业都开发了自己的直流调速系统，并且在工业生产、机器人控制、航空航天等领域得到了广泛应用。美国通用电气公司的 DV-300 系列，提供工具箱配套进行开发，能够对电机的励磁电流，转速，电枢电流等进行高精度的调节，并支持开发的通信协议，可以与多台电机进行联合控制。德国西门子公司的 6RA70 系列，单台的额定电流有 3000A，并可以进

行扩容，该系统具有强大的通讯能力，支持 profibus、USS 等通讯协议。这些产品大多已经广泛地应用于冷热轧钢管机、钻井勘探等工业生产过程，为产业的自动化程度提高做出了很大帮助。近年来，国内也开始陆续生产自由品牌的直流调速器，并对部门海外的产品进行国有化改造。

1.2研究意义

近年来，随着微机控制技术，电力电子技术等迅速发展，直流电机因为其调速性能好、启动性能好，被广泛应用在高精度，可调速的场合，如航天、工业自动化、数字化控制、工业机器人、医疗设备等。

同时，随着化石能源枯竭造成的油价上涨与国际对环境污染问题的关注，内燃机驱动逐步被电力驱动替代。顺应时代的发展，电动机农业成为发展趋势。传统农机动力源为柴油内燃机，初排放碳氧化物与氮氧化物照成大气污染，也会因为油污问题污染土地进而影响粮食品质。电动农机具有能源利用率高，输出扭矩大，零污染排放且容易小型化的优点，当前主要应用于小型农具的设计，如：除草机，施药设备等。

本文通过PWM调节电机电枢供电电压，可用于电动力农用机械调速，如小型田间运输设备的驱动控制等，具有成本造假低廉，可与电脑通信的特点。

2总体方案设计

51单片机控制的PWM直流电机调速系统实现的主要功能包括：控制直流电机的启动和停止、加速和减速、正向运转和反向运转。该调速系统主要由以下几个模块构成：

输入模块：主要利用独立键盘控制直流电机的启动和停止、加速和减速、正转和反转。

控制模块：主要由单片机外围电路组成。

直流电机PWM实现部分主要有二极管、电机和驱动芯片L298组成。

显示模块：通过LED数码管显示PWM信号的占空比，实现对调速系统的实时监控。

整个控制程序过程为：

在一个工作周期内，控制过程需完成以下5部分工作：

(1)单片机与上位机通过接口进行通信，获取速度指令，指定直流电机的理想转速值。

(2)接受与直流电机同轴的光电编码器反馈信号。结合时钟脉冲，计算出当前时刻直流电机的实际转速(采样)。

(3)将电机实际转速值与理想转速值相比较，计算出转速误差值(控制偏差)。

(4)使用数字比例积分微分调节(PID)算法，计算出纠正转速偏差的输出信号

(5)根据PID计算结果，重新设定删参数(主要是高电平持续时间参数)，改变电机转速。使实际转速值趋近理想转速值

2.1PWM

2.1.1PWM基本原理

PWM 控制是通过改变电枢电压从而改变电机转速，具体是保持脉冲周期不变，改变脉冲的占空比，进而改变加在电机两端的平均电压，所以称为脉冲宽度调节。

图1：PWM调速示意图

如图所示，在0-tl时间段内，电压 Us 大于开关管V1的导通电压 Uav，开关管V1导通，电机通电旋转。在t1-T时间段内，电压 Us 小于开关管V1的导通电压 Uav ，开关管 VI 截止。电机失电停止旋转，二极管D1起续流作用。t1占周期时间 T 的比例决定了电机端平均电压，进而决定了电机旋转速度。

2.1.2PWM产生

PWM信号的产生通常有两种方法：一种是软件的方法来实现，一种是硬件的方法。本篇文章主要介绍利用51单片机对PWM信号的软件的实验方法。

占空比可以实现对电机转速的调节，占空比是高电平在一个周期之中的比值，高电平的所占的比值越大，占空比就越大，对于直流电机来讲，电机输出端引脚是高电平，电机就可以转动。

当输出端高电平时，电机会转动，但是是缓慢提速，在高电平突然转向低电平时，电机由于电感有防止电流突变的作用是不会停止的，会保持这原有的转速，以此往复，电机的转速就是周期内输出的平均电压值，所以实质上调速是将电机处于一种，似停非停，似全速转动又非全速转动的状态，那么在一个周期的平均速度就是占空比调出来的速度了[5]。

在电机控制中，电压越大，电机转速越快，而通过PWM输出不同的模拟电压，便可以使电机达到不同的输出转速。

同时也要注意，在电机控制中，不同的电机都有其适应的频率 频率太低会导致运动不稳定，如果频率刚好在人耳听觉范围，有时还会听到呼啸声。频率太高的电机可能反应不过来。

51系列单片机具有两个定时器T0和T1。通过控制定时器的处置，从而实现输出口输出不同占空比的脉冲波形。PWM信号软件实现的核心时单片机内部的定时器，由于单片机内部晶振设计的不同，定时器也有不同的工作方式，定时的初值也与定时时间有关。定时的初值与定时时间的关系为：

为单片机的时钟频率，n为定时器/计数器的位数，为定时器定时初值，在应用中，通过设定不同的定时处置，从而改变占空比D,进而达到控制电机转速的目的。

2.2供电电源

本设计直流电机调速系统中的逻辑控制电路元模块需要的电源是5V的，而该系统中驱动直流电机的驱动电路中需要用到+12V直流电压，因此在该系统中需要设计一个供电电源电路将220V交流电压转换为+5V和+12V两种直流电压。在这种情况下，应用的较多的是双路输出的稳压线性直流电源。具有两路输出的线性直流稳压电源电路逻辑比较简单，提供的两路输出电压稳态性比较好，抗交流电压侵入性好，能提供输出状态稳定的两路电压。因此，在本设计中，将采用双路输出的稳压线性直流电源[3]。

2.3驱动模块

本文使用L298作为直流电机的驱动芯片，如下表是L298引脚的功能。

表1：L298引脚的功能

单片机输出的PWM信号的电压值很小，没法直接驱动电机，要利用驱动芯片L298以及驱动模块来放大PWM的信号电压值。

L298N时专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，输出电流大，功率强。其输出电流为2A，最高电流为4A，最高工作电压为50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等。特别时输入端可以与单片机直接相连，很方便地受单片机控制。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，9脚VSS可接4.5～7V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为+2．5～46V。输出电流可达2.5A[1]。

输出A，输出B分别接两个直流电机，IN1,IN2,IN3,IN4逻辑输出口，其中IN1,IN2控制一个电机的转动，IN3,IN4控制另一个电机的转动，EnA,EnB接控制使能端，控制电机的停转。EnA为高电平，输入电平为一高一低，电动机正或反转，同为低电平时电机停止，同为高电平时电机刹车停止。

图 2：L298与电机的连接

2.4控制键盘

在直流电机调速系统中，需要采用一些机械按键来对该系统进行操作。本系统中采用的是4个独立分别，分别将这四个按键连接到单片机的P0.0,P0.1,P0.2,P0.3引脚上[4]。在程序中采用键盘扫描模式来判断这四个独立按键的状态，如果单片机通过按键扫描函数检测到单片机与按键相连的引脚为低电平，则说明该按键被按下，立马进入处理程序，单片机发出指令，对直流电机进行控制，从而实现对单片机的启动和停止，加速和减速，正向运转和反向运转的控制。具体如图所示：

图3：程序流程图

如图所示：系统通过初始化程序后要进行按键的读取，并根据按键的不同设计值对系统发出控制命令，以实现控制系统转速。然后再由测数模板将每次返回的值与设定值进行比较，采用PID控制算法，对参数进行调整，以保持整个过程的良好运行，最终完成系统的控制要求。

2.5 Proteus仿真

采用Proteus软件对系统进行设计并进行仿真测试，仿真通过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，有单片机产生PWM波形通过驱动模块L298来控制电动机的转速，并将转速在LCD显示屏上实时显示。

通过仿真可以看出，电机的平均速度会随着占空比的变化而不断变化，占空比越大，电机的平均速度也会随之逐渐变大。

图4：占空比为50%时，转速为52r/min 图5：占空比为80%，转速为80r/min

2.6 PID控制

闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈需要三个部分构成，测量、比较和执行。测量的关键是传感器的使用，比较则是将被控变量的实际值与期望值相比较，用比较的偏差来纠正系统的响应，执行为调节。在工程实际中，应用最广泛的调节器则是PID控制。PID控制器简单易懂，鲁棒性强，使用中不需要精确的系统模型等先决条件，被广泛应用。通过调节比例，积分，微分三个系数进行不同的组合来连续控制。实际用得较多的是工程整定法来确定三个参数的大小。转速和电流双闭环直流调速系统是典型的直流电动机调速系统，转速和电流分别由两个独立的调节器控制。直流电机转速受到转动惯量、转矩、电压、励磁磁通等诸多因素影响，其转速稳定是一个非稳态过程。模糊PID 算法克服了传统 PID 算法无法实时调整 PID 参数的缺点，且无需建立复杂的数学模型和控制效果好等优点已广泛应用在工业生产中。该系统以模糊 PID 算法作为控制中心，通过不断改变导通角来实现电机转速的调节，在提高系统精度的同时也使电机转速得到有效控制。模糊PID控制是一门新兴的智能控制技术，如果能将其加以合理的运用，一定能在该系统中发挥巨大的作用[2]。

2.7总结

通过单片机来实现电机调整有很多种途径，相对于其他硬件或者软件结合的方法实现对电机进行调整，用纯软件的方法采用PWM来实现调速过程，具有更大的灵活性和更低的成本，能够充分发挥单片机的性能，给速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。并运用模糊PID算法实现对电机速度的调节。

参考文献

[1]赵亚丽.基于51单片机的小型直流电机PWM调速系统设计[J].电子设计技术,2013(10):2-3.

[2] 吴一平. 基于51单片机的直流电机PWM调速系统[J]. 科技创新导报,2018,15(13):108,110.

[3] 陈长春.基于单片机的直流电机控制系统[J]. 电力系统装备,2018(6):74-75.

[4] 李建中. 基于单片机的直流电机调速设计与仿真[J]. 轻纺工业与技术,2020,49(9):15-16.

[5] 陈炜炜.基于单片机的直流电机PWM调速系统[J]. 化工自动化及仪表,2019,46(3):218-222.

[6]张永志.基于单片机控制的PWM直流调速系统的研究[J].卷宗,2015(3):322-322,323.

李彤（2001），女，汉族，山西运城人，本科生，单位：重庆交通大学机械电子专业