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0引言
直流电机具有良好的线性调速性能和动态特性,目前仍是多数调速控制电机的最佳选择,而采用PWM技术是直流电机调速控制的首选方案.本文提出了利用AT89C51单片机产生PWM信号,通过模拟信号调节PWM的占空比进而实现直流电机的无级调速.
1.直流电机PWM调速原理
直流电机转速表达式为
n等于( U-IR )/Ceq)
(1)
由表达式(1)可知直流电机的调速方法有三种：电枢回路串联电阻(R)的调速方法,调节励磁磁通（中）的励磁调速方法,调节电枢电压的电枢控制方法(U).电枢回路串联电阻的调速方法特点是：机械特性变软,负载变化时转速波动大,静态稳定性差,调速范围不大,轻载时调速效果不明显,有级调速,调速平滑性差,调速时R上损耗大,效率低.励磁调速方法也称弱磁调速一般与降压调速配合使用以扩大调速范围.调节电枢电压的电枢控制方法也称降压调速因其具备负载变化时转速波动小,静态稳定性好,调速范围大,转速调节平滑,可实现无级调速,调速时能量损失小,效率高等优点而被广泛的应用到直流电机的调速控制中.
2.PWM信号的软件实现方法
基于单片机用软件产生PWM信号的方法是目前比较常用的方法.这里选择AT89C51单片机,其晶振频率为12MHZo利用定时器TO,T1的交替工作产生频率为50Hz的PWM信号以Pl口的实时数据作为TO,T1定时器初值调整的参数.
PWM信号的频率是50Hz则其周期T等于20ms,所以定时器TO,T1定时时间之和就等于20ms.定时器TO和Tl采用工作方式l,用30H和31H单元分别存放定时器TO初值TLO和THO,32H和33H单元用于存放定时器T1的初值TL1和THI.
直流电机调速器:我的单片机之路 直流电机调速
程序流程图如图2所示,其中P1口的实时数据来自于模数转换芯片ADC0808的输出端口.单片机的P2.0口负责输出占空比可连续调节的PWM信号,供直流电机的驱动和控制所用.
3.直流电机驱动及控制电路实现
本系统的直流电机采用集成电路L298芯片驱动.L298芯片内部包含4通道逻辑驱动电路,是一种二相和四相电机的专用驱动器,可驱动50V、2A以下的电机.L298芯片的引脚.INI-IN4输入标准,ITL逻辑电平信号,控制两个H桥的输出OUTl-OUT4.其中INI和IN2对A桥的输出OUTI和OLT2进行控制,IN3和lN4对B桥的输出OUT3和OUT4进行控制.ENA和ENB分别为A桥和B桥的使能端（高电平有效）.SENSA和SENSB接电流检测电阻,以引出电流反馈信号,不需要反馈电流时,该引脚直接接地.vcc接逻辑控制的+5v电源,vs接电机驱动电源,最高可接50v电源.OUTl、OLT2或OUT3、OUT4之间接直流电机,则当相应的使能端接高电平,输入端INl为PWM信号,IN2为低电平时,直流电机正转,反之,直流电机反转.若INI与IN2相同,直流电机快速停止.逻辑控制电路用于完成对直流电机的启停及正反转控制.实质上是将单片机P2．O引脚输出的可连续调节占空比的PWM信号,按照直流电机正反转和启停要求加到INI和IN2两个引脚上（本系统采用A桥控制直流电机）.
具体要求是,正反转控制开关闭合,启停控制开关闭合,则控制电路可将P2.0输出的PWM信号加到L298芯片的INI引脚,而IN2引脚接低电平,直流电机正转运行.反之,直流电机反转运行.在直流电机运行期间可以实现正反转的转换,启停控制开关断开,使INI和IN2引脚同时为低电平,电机快速停止.
采用组合逻辑电路实现上述控制要求,A表示PWM信号,B表示正反转控制开关,C表示启停控制开关.Y1表示INil,Y2表示IN2.
4.无级调速系统构成与系统仿真测试
该系统由三个模块组成：单片机模块,AD转换模块,电机驱动及控制模块,利用Proteus软件绘制的系统仿真原理图如图4所示.AD转换模块完成将模拟电压量转换为数字量；单片机模块完成对前端AD转换模块输出数字量的实时采集（由Pl口负责）,并以此为调节参数,产生占空比连续变化的PWM信号并由P2.0口输出：电机驱动及控制模块主要是利用单片机模块产生的PWM信号完成对直流电机的驱动,并利用组合逻辑电路对直流电机驱动芯片L298进行控制,完成直流电机的启停和正反转控制.
利用Proteus软件进行仿真测试：加载单片机控制程序后启动仿真,启停控制开关和正反转控制开关闭合,直流电机开始正转运行.通过调节模数转换芯片ADC0808前端的滑动变阻器,使通道IN3的电压发生连续变化,进而实现直流电机速度的连续调节即无级调速.在正转过程中断开正反转控制开关可实现直流电机反转运行,任一时刻断开启停控制开关,直流电机都会停止运行.
5.结论
利用Proteus软件设计的直流电机无级调速系统,实现了直流电机的启停、正反转和无级调速控制.仿真结果表明该系统调速范围大,响应速度快,性能稳定.以往大多数的直流电机调速系统中单片机的任务很重,除了产生PWM信号以外,还要负责完成将PWM信号按照一定的控制要求加到电机驱动芯片上,进而实现电机的启停和正反转,这样就增加了单片机程序的复杂性.本系统中,单片机只需完成利用P1采集的实时数据产生占空比可调PWM信号并由P2.0输出.至于如何将PWM信号按照控制要求加到L298芯片上,是由时序逻辑控制电路负责完成,实现了软件控制与硬件控制的有机结合.
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