基于单片机控制的PWM直流调速系统的研究

张永志

摘 要：单片机是一种功能强、体积小、可靠性高的大规模集成电路器件，而电动机控制系统主要由模拟控制让位于以单片机为主的微处理器控制，以形成数字和模拟的混合控制系统与纯数字控制系统的运用。随着单片机控制技术的不断发展，被广泛运用在较多领域中。本文就基于单片机控制的PWM直流调速系统进行研究，就其原理和设计框架展开分析。

关键词：单片机控制；PWM直流调速系统；電动机；设计原理

伴随着微型计算机技术的发展，单片机控制已经被广泛运用在各行各业中，而对于工业的过程控制更是单片机控制技术的重要领域。开篇提到，电动机的控制部分，已经由原来的模拟控制技术逐渐变为以单片机为主的微处理器控制，最终形成了数字与模拟的混合控制系统，并且正在向着全数字的控制方向发展。下文基于以8032单片机为核心的小功率直流电机为对象，分析采用了PWM直流调速系统的原理和框架。

1 小功率电动机的调速原理分析

一般来说，要控制小功率的电动机，运用体积小、功能强的单片机来控制是最方便的。首先，通过改变电动机的电枢电压接通时间和通电周期的比值，也就是说要改变电动机的占空比来控制电机的速度，这也是我们常说的脉冲宽频调制技术（PWM）。其原理如图1所示，我们可以看出，单片机通过控制脉冲占空比，利用顶宽调频法或者调宽调频法、定频调宽法等几种方法来改变电动机的电枢电压。事实上，定宽调频法与调宽调频法都是依靠改变周期来实现控制目的的，当控制频率接近于固有频率时，电机就会产生震荡，因此对于实际的使用产生不便，所以这两种方式一般很少使用。

2 PWM直流调速系统硬件电路设计框架分析

下图为采用8032单片机的PWM直流调速系统硬件电路设计框架图，系统主要通过软件编程定义键盘的各个键功能来达到显示控制的目的。

从图中可以看出，系统主要由按键输入来下达命令给单片机，经过单片机的判断识别和处理后由单片机将控制信号传送到PWM控制模板中。这中间经过H桥驱动电路时，系统根据不同的脉冲占空比来控制电机的运转，再经由光电编码器测速后反馈到单片机中与给定值相比较。最后，通过LED数码管显示输出，再根据反馈的偏差值发出对应的控制信号以实现闭控制。所谓光电编码器就是一种通过使用光电转换将输出轴上的机械结合位移量转换为脉冲的传感器，主要由光栅盘和光电检测装置构成，因光电码盘与电动机同轴，当电机旋转时两者同速，再经由发光二极管等电子元件的监测装置后再输出脉冲信号，以监测电机转速。

事实上，在数控机床的直流伺服系统中，我们主要还是通过改变电动机的电枢电压值来实现速度调节的。通常采用的是晶闸管相控整流调速以及大功率的晶体管脉宽调制调速（PWM）等方式，这两种方法也非常适合与小功率的电机使用。一方面爱用脉冲宽度调制技术，通过改变脉冲的宽度，使得电动机的占空比改变，从而实现改变电枢电压平均值，控制电动机转速的目的。另一方面，使用PWM直流调速系统来实现控制电机转速的目的有很多优势。其主电路简单，所用的功率元件就少；且其开放的频率骄傲，可以有效避开机床的共振区，保证电动机的工作平稳度；另外，PWM直流调速系统采用的是功率较小的惯量电机时，其定位速度与精度都较高；且其低速时性能最好，稳速精度也较高，可调速的范围也宽，抗干扰能力强。

3 PWM直流调速系统硬件设计分析

在基于单片机控制系统的PWM直流调速系统中，各个应用软件一般是按照系统的功能需求来设计的，能够稳定的实现系统的各项功能。软件系统一般包括：初始化程序、键盘的扫描程序、处理程序、定时器、信号发生程序、测速模块以及显示程序模块几大部分，具体如图3所示。

如图所示，系统经过初始化程序后要进行键值的读取，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，再由测速模板将每次返回的值与设定值进行比较，采用PID控制算法，以对参数进行整定以保持整个过程的良好运行，最终完成系统的控制要求。

4 结束语

终上所述，基于单片机控制的PWM直流调速系统主要是通过单片机来实现对电机的各项调整，而这种调整也有多重方式。只要我们熟悉整个单片机的硬件与软件系统设计，清楚整个控制流程和命令的传输，就能使用PWM直流调速系统轻松控制电动机，保证电动机的稳定安全运行。

参考文献

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