探究基于单片机用软件实现直流电机pwm调速系统

探究基于单片机用软件实现直流电机PWM调速系统

马文

天津神华煤炭码头有限责任公司，天津 300452

摘要：随着智能设备的日益普及，直流电机的使用范围也越来越广。本文对通过单片机用软件来对直流电机进行调速的方法、PWM调速的原理以及具体方法，以及使用直流电机进行调速的一些基本知识进行了介绍，并探讨了利用软件来实现对PWM信号进行调节的途径。

关键词：单片机；软件；直流电机；PWM调速随着我国经济的的快速发展和科学技术水平提高，智能设备开始在社会生活的各个领域被广泛的使用。而为了促使智能产品进一步向便携性和小型化发展，同时降低产品的成本，就必须对产品的电源进行更加严格的，因此普遍的采用了小型的直流电机。在掌握了对直流电机的转速进行调节的基本原理以及PWM调速的基本方法的基础上，有多种方法和途径可以实现调节直流电机的转速。本文将以MCS51这种单片机为例，介绍通过软件来实现脉冲宽度调制（PWM）的基本方式。

一、对直流电机的转速进行调节的基本原理分析

直流电机按照不同的励磁方式可以分为两种类型，即自励以及他励。由于励磁方式不同，直流电机具有不同的机械特性。直流电机的机械特性可以用以下方程式来表达。

在该方程式里，UN和ΦN分别表示电枢电压和磁通量的额定值，Rab和Ra则表示电枢的内外电阻值，n0和Δn分别用来表示在理想空载条件下的转速和转速降，而Ke和Kt都是电机的相关常数值。

通过对方程式的分析可以得知，在Rab以及UN和ΦN值分别发生改变时，就可以计算出转速n的不同值，以此为根据就可以对速度进行相应的调节。如果励磁电流发生了改变，就可以采取对磁通量值进行调节的方式来实现对变磁通的速度进行调节。要注意的是，直流电机存在磁饱和的现象，而且其励磁线圈也会产生大量的热量，这俩大因素会电机的磁通量以及励磁电流的调节范围，调速只能在额定范围内进行。如果采取改变外加电阻值的方式来对转速进行调节时，电机的机械特性会受到影响，造成直流电机的载荷能力降低。

如果直流电机属于他励类型，那么在电枢电压发生变化时，其理想空载的转速值就会随之发生改变。电机的机械特性硬度不受电枢电压改变的影响，直流电机具有恒定的载荷能力。因此可以通过对他励类型的直流电机的两端电枢电压进行平滑调节的方式来达到无极调速的目的。

通过对直流电机特性的分析，采取对电枢电压进行调节的方式就可以实现控制直流电机的转速的目的，因此这种方式的应用范围比较广泛。

二、脉冲宽度调制（PWM）的原理和调速方式

1基本原理

脉冲宽度调制（PWM）指的是对固定电压采用控制其直流电源的接通与断开频率的方式来使负载两端电压发生变化，从而实现对电压的调节，以达到控制要求。在电机调速以及其他如压力控制或者温度控制德国多个领域都可以采用PWM这种控制方式。在PW<调速系统中，通常开关电源的频率是相对固定的，同时可以按照实际需要来对一个周期里开和关的时间加以控制改变。当直流电机电压发生占空比的变化时，其平均电压值也就随之发生变化，也就实现了对电机转速的控制。通过脉冲作用是电机在通电状态下增加转速，而在断电时，电机的转速就会降低。这一只需将接通以及断开电源的时间按照某一规律进行改变，就可以控制直流电机的转速。

2脉冲宽度调制（PWM）的实现方式一般可以通过软件或者硬件这两种方式来产生PWM信号。本文将重点介绍基于单片机用软件实现直流电机PWM调速系统。

以目前应用范围比较广泛的MCS51这一系列的相关单片机为例，该系列产品通常配备了两个定时装置。因此只要对这两个定时装置的处置进行控制，就可以按照不同的要求来对其输出的脉冲波形加以改变。定时器是基于单片机实现用软件控制PWM信号的核心设备，在不同型号的单片机中，定时器的特点也各不相同，甚至对同一单片机来说，只要其选择了不同的晶振，也会使定时器产生不同的工作方式，从而使定时初值和时间形成不同的关系。所以在控制时必须首先确定定时器具体的工作方式以及其初值与时间的特点关系。

3设计直流电机转速的控制程序

设计控制程序时主要有计数法以及软件延时这两种方式。采用计数法进行设计时，其基本的设计思路是首先求出单位延时的数量，并在存储单元内以该值为给定值来进行存储。通电后，计算在单位时间内的次数，在与给定值加以对比，如果二

者不一致则继续保持控制脉冲的输出；如果二者相一致，则对电机进行断电。采用软件延时的方法进行设计时，其基本的设计思路是在计算得出占空比后，按照周期为电机分别通电数个单位时间。而后在进行数个单位时间的断电。对通电和断电的单位时间进行改变就可以实现对占空比的控制。

三、基于单片机用软件实现直流电机PWM调速的实际应用

以油辊电机为例，其控制系统的核心是51单片机。按照算法对单片机的定时初值进行计算，然后通过软件产生相应的脉冲信号，P3.0输出该PWM信号，并继电器和放大器将PWM信号向电机进行输出，以实现对电机的通电和断电情况进行有效的控制。

应用软件的设计综合采用了软件延时和计数法这两种方法。对单片机进行通电后，对P3.0的高电平状态首先进行判断，而后分别与预定值和计数值进行比较，并根据比较结果采取相应的动作，从而实现对电机转速的有效调节。

四、总结

基于单片机可以有多种方法来实现对直流电机转速的调节和控制。但与采用硬件控制方式或者采用软硬件结合的方式相比，通过纯粹的软件技术来实现对直流电机转速的调节具有较高的灵活性，而且其实现成本也更低，同时可以使单片机的性能得到充分的发挥，这是一种更加便捷的实现对直流电机转速进行控制的系统。在采用软件技术来调节直流电机转速时，通过计数法与软件的延时相配合的设计思路可以为实现对直流电机速度进行平滑调节提供一种有效的解决途径，并在实际应用中取得了很好的效果，证明纯软件调节是具有较高应用价值的有效方式。

参考文献：

[1]尹冬梅. 基于单片机控制的PWM直流电机调速系统[J]. 科技传播, 2015, 7(24).

[2]陈欣欣. 基于AVR单片机的直流电机PWM调速系统设计[J]. 科技致富向导, 2014(8):257-258.

[3]李伟龙. 基于单片机控制的PWM直流调速系统[J]. 河南科技, 2013(17):127-128.

[4]宫晓明. 基于51单片机的直流电机PWM调速系统[J]. 科学家, 2017(16):151-151.

· 271 ·