51單片機(jī)通過(guò)脈寬調(diào)制PWM來(lái)控制電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的設(shè)計(jì)

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速N的表達(dá)式為：N=U-IR/Kφ

由上式可得，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可分為兩類：調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通的勵(lì)磁控制方法和調(diào)節(jié)電樞電壓的電樞控制方法。其中勵(lì)磁控制方法在低速時(shí)受磁極飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少?，F(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞控制方法。

對(duì)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)離不開(kāi)半導(dǎo)體功率器件。在對(duì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，對(duì)半導(dǎo)體器件的使用上又可分為兩種方式：線性放大驅(qū)動(dòng)方式和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。

線性放大驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：控制原理簡(jiǎn)單，輸出波動(dòng)小，線性好，對(duì)鄰近電路干擾小；但是功率器件在線性區(qū)工作時(shí)由于產(chǎn)生熱量會(huì)消耗大部分電功率，效率和散熱問(wèn)題嚴(yán)重，因此這種方式只用于微小功率直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。絕大多數(shù)直流電動(dòng)機(jī)采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制PWM來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

?

在PWM調(diào)速時(shí)，占空比α是一個(gè)重要參數(shù)。以下3種方法都可以改變占空比的值。

（1）定寬調(diào)頻法

這種方法是保持t1不變，只改變t2，這樣使周期T（或頻率）也隨之改變。

（2）調(diào)頻調(diào)寬法

這種方法是保持t2不變，只改變t1，這樣使周期T（或頻率）也隨之改變。

（3）定頻調(diào)寬法

這種方法是使周期T（或頻率）保持不變，而同時(shí)改變t1和t2。

前兩種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期（或頻率），當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此這兩種方法用得很少。目前，在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。

直流電動(dòng)機(jī)雙極性驅(qū)動(dòng)可逆PWM控制系統(tǒng)

雙極性驅(qū)動(dòng)則是指在一個(gè)PWM周期里，作為在電樞兩端的脈沖電壓是正負(fù)交替的。

雙極性驅(qū)動(dòng)電路有兩種，一種稱為T型，它由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管組成，采用正負(fù)電源，相當(dāng)于兩個(gè)不可逆控制系統(tǒng)的組合。但由于T型雙極性驅(qū)動(dòng)中的開(kāi)關(guān)管要承受較高的反向電壓，因此只用在低壓小功率直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

另一種稱為H型。

H型雙極性驅(qū)動(dòng)

1． 電動(dòng)機(jī)控制電路模塊

H橋電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的工作原理：

A：當(dāng)單片機(jī)的P0.0腳輸出高電平，而P0.1腳輸出低電平時(shí)，通過(guò)光電耦合器后仍然輸出為高電平，使Q4管導(dǎo)通，此時(shí)Q1也處于導(dǎo)通狀態(tài)，但Q2管的基極的電位被強(qiáng)行拉低，Q2管處于截止?fàn)顟B(tài)。由于單片機(jī)的P0.1腳輸出低電平，

Q8處于截止?fàn)顟B(tài)，而此時(shí)Q7因?yàn)镼5的截止而處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而使電動(dòng)機(jī)形成回路，電機(jī)正常工作。

B：同理可得，當(dāng)P0.0腳輸出低電平，而P0.1腳輸出高電平時(shí)，三極管的狀態(tài)與上述相反，電機(jī)同樣處于正常工作狀態(tài)。

C：當(dāng)P0.0腳和P0.1同時(shí)為高電平或低電平，由于Q4與Q8和Q3與Q7的工作狀態(tài)相同，同時(shí)處于導(dǎo)通或截止，使電機(jī)兩斷電位相同，無(wú)法使電機(jī)形成閉和回路，電機(jī)不工作，著就是所謂本設(shè)計(jì)所提及的剎車狀態(tài)。

由于電路中在驅(qū)動(dòng)功率管的發(fā)射極各添加了一個(gè)小電感，目的是為了使電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓更加穩(wěn)定，得到較為平滑的驅(qū)動(dòng)電壓，從而增加了剎車時(shí)動(dòng)作的準(zhǔn)確性，減少電機(jī)的在起動(dòng)和停止的瞬間產(chǎn)生過(guò)大的電壓對(duì)功率管的沖擊，導(dǎo)致功率管的損壞。同時(shí)也提高了電機(jī)的剎車控制可靠性和準(zhǔn)確性，不至于因慣性而導(dǎo)致控制上產(chǎn)生較大的誤差。

該橋的優(yōu)點(diǎn)是電路的原理簡(jiǎn)單、易控制、功耗低帶負(fù)載能力強(qiáng)、剎車的精度很高而且價(jià)格低廉。在驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)輸入斷采用了光電隔離技術(shù)，減小H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)單片機(jī)的干擾，實(shí)現(xiàn)模擬電路與數(shù)字電路的隔離。在單片機(jī)的配合下，通過(guò)PWM調(diào)節(jié)脈寬的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輕松調(diào)速，通過(guò)鍵盤的配置可以對(duì)體的參數(shù)進(jìn)行修改，可以使電機(jī)適應(yīng)各種不同的工作狀態(tài)，而實(shí)現(xiàn)智能控制的目的。正因?yàn)椴扇×薖WM該技術(shù)，使我們完成基本要求的過(guò)程變得簡(jiǎn)單易行。

在電路中所采取的功率管為中功率管，其中將驅(qū)動(dòng)功率管設(shè)計(jì)為靈活替換方式，可以根據(jù)實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路的需要，從而調(diào)整功率管的型號(hào)而不用另行更改電路，就可以滿足電路控制的要求

2、軟件模塊部分

在速度控制方面，一般是能通過(guò)改變加在電機(jī)兩端的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以是連續(xù)改變（加直流電壓），也可以是斷續(xù)改變（加脈沖電壓）。為了簡(jiǎn)單用，我們采用了脈寬調(diào)速，脈寬的變化可以通過(guò)硬件或軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

方案一 硬件實(shí)現(xiàn)是通過(guò)改變振蕩電路中RC參數(shù)來(lái)調(diào)整充放電時(shí)間。若用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，在穩(wěn)定性方面得不到保證。

方案三 用軟件的作法是通過(guò)設(shè)置高電平及低電平的保持時(shí)間來(lái)達(dá)到PWM的脈寬調(diào)制目的。

就比較而言，軟件調(diào)整量化指標(biāo)更高、調(diào)整更可靠、更方便、更準(zhǔn)確。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，?？紤]方案二。

脈沖頻率對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)機(jī)也有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶負(fù)載能力差，頻率低則反之。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在15━20HZ效果最佳。在本設(shè)計(jì)中采用了20HZ進(jìn)行設(shè)計(jì)。

脈沖調(diào)速實(shí)質(zhì)上是調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的平均功率，通過(guò)計(jì)算可發(fā)現(xiàn)電機(jī)的速度與脈寬成正比。

軟件編程的考慮是設(shè)置脈寬這個(gè)變量。在P0.0，P0.1的輸出控制信號(hào)來(lái)產(chǎn)生20HZ可調(diào)脈寬方波。

下面是51單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)程序

#include 《 reg51.h 》

#include 《 intrins.h 》

sbit K1 =P1^4 ; //增加鍵

sbit K2 =P1^5 ; //減少鍵

sbit P00 =P0^1;

sbit BEEP =P3^7 ; //蜂鳴器

unsigned char PWM=0xe7; //賦初值

void Beep（）;

void delayms（unsigned char ms）;

void delay（unsigned char t）;

/*********************************************************/

void main（）

{

P1=0xff;

TMOD=0x21 ;

TH0=0xff ; //50us延時(shí)常數(shù)

TL0=0xce ; //頻率調(diào)節(jié)

TH1=PWM ; //脈寬調(diào)節(jié)

TL1=0 ;

EA=1;

ET0=1;

ET1=1;

TR0=1 ;

while（1）

{

do{

if（PWM！=0xff）

{PWM++ ;delayms（10）;}

else Beep（） ;

}

while（K1==0）;

do{

if（PWM！=0xce）

{PWM-- ;delayms（10）;}

else Beep（） ;

}

while（K2==0）;

}

}

void timer0（） interrupt 1

{

TR1=0 ;

TH0=0xff ;

TL0=0xce ;

TH1=PWM ;

TR1=1 ;

P00=0 ; //啟動(dòng)輸出

}

void timer1（） interrupt 3

{

TR1=0 ;

P00=1 ; //結(jié)束輸出

}

/*********************************************************/

//蜂鳴器子程序

/*********************************************************/

void Beep（）

{

unsigned char i ;

for （i=0 ;i《100 ;i++）

{

delay（100） ;

BEEP=！BEEP ; //Beep取反

}

BEEP=1 ; //關(guān)閉蜂鳴器

delayms（100）;

}

/*********************************************************/

// 延時(shí)子程序

/*********************************************************/

void delay（unsigned char t）

{

while（t--） ;

}

/*********************************************************/

// 延時(shí)子程序

/*********************************************************/

void delayms（unsigned char ms）

{

unsigned char i ;

while（ms--）

{

for（i = 0 ; i 《 120 ; i++） ;

}

}
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