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基于PWM控制的直流电机控制系统设计研究
作者：贾传圣 倪俭凯
来源：《中国科技博览》2013年第16期
摘 要： PWM（Pulse Width Modulation） 即脉冲宽度调制，就是指保持开关周期T不变，调节开关导通时间T 对脉冲的宽度进行调制的技术。随着计算机在控制领域的应用和高开关频率、全控型第二代电力半导体器件及脉宽调制（ PWM） 直流调速技术的发展，直流电机得到更广泛的应用。对于直流电机，采用PWM控制技术构成的无级调速系统，起停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。可以采用单片机实现对功率开关元件的 PWM 导通控制、 设定速度并显示以及接收电机转速反馈编码器信号。 关键词：PWM控制； 直流电机控制； 单片机； 调速系统 中图分类号：TM33 1 概述
直流电动机转速的控制方法可分为励磁控制法与电枢电压控制法两类。随着电力电子 技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法。如：由交流电源供电，使用晶闸管进行相控
调压；使用硅整流器将交流电整流成直流或由蓄电池等直流电源供电，再由PWM斩波器进
行斩波调压等。PWM驱动装置与传统晶闸管驱动装置比较，具有下列优点：需用的大功率
可控器件少，线路简单；调速范围宽；电流波形系数好，附加损耗小；功率因数高。可以广泛应
用于现代直流电机伺服系统中。 图1 PWM波产生电路 2 PWM 直流调速原理
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PWM 调速方法通常采用功率场效应管作为主开关元件，通过改变开关元件的导通方式及通断比来改变输出电压的大小与极性。当开关管的栅极输入高电平时， 开关管导通，直流电动机直流绕组两端有电压 Ud。t1（s） 后，栅极输入低电平， 开关管截止， 电动机电枢两端电压为零。t2（s） 后， 栅极输出重新变为高电平 。开关管重复前面的工作，这样， 对应着输入电平的高低， 直流电动机电枢绕 组两端的电压波形如图 2 所示。
在 PWM 调速系统中， 在电源电压 Ud不变的情况下，电枢端电压的平均值 U0取决于占空比的大小，即改变占空比的值可以改变电枢端电压的平均值， 从而达到调速的目的。 一般可以采用定宽调频、 调宽调频、 定频调宽三种方法改变占空比的值， 但是前两种方法在调速时改变了控制脉宽的周期， 当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时将会引起振荡， 因此常采用定频调宽法改变占空比的值， 从而改变直流电动机电枢两端电压。 图2 PWM 调速控制输出电压波形 3 系统软件实现方法
本系统主要介绍利用单片机对PWM信号的软件实现方法。MCS—51系列典型产品8051具有两个控制定时器初值T0和T1。通过T0和T1，可以实现从8051的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。
单片机按预定算法计算出定时初值，由软件转换成PWM信号，并由P3.0输出，经放大器及固态继电器输出给电机，从而控制电机得电与失电。软件采用计数法加软件延时法进行设计。如图3所示，单片机上电后，系统进入准备状态。当按动启动按钮，判断P3.0是否高电平。然后，根据P3.0分别进入计数值与预定值比较环节，当计数值与预定值相等时，清计数寄存器，并置P3.0为相反状态，进入延时程序。根据不同的加减速按钮，调整P3.0输出高低电平时的预定值，从而可以控制P3.0输出高低电平时的延时时间，进而控制电 压的大小。控制程序成功的应用于纺织机油辊电机的加减速控制。 4 结束语
基于PWM控制直流伺服系统与传统晶闸管可控调速系统相比，由于具有调速范围宽、 快速性能好、功率因数高、结构简单等优点，可以广泛应用于现代直流伺服系统中。本系统利 用MCS51 单 片 机 实 现 直 流电机转速控制的 PWM 调制控制方法， 电路简单、成本低、控制单、响应快。 利用单片机灵活的编程及接口设计可以方便地实现直流电机的速度设定、 反馈及 PWM 输出控制， 从而实现一种经济实用的直流电机 PWM 控制系统。
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