科技创新导报2018 NO.13Science and Technology Innovation Herald工业技术
DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2018.13.108
基于51单片机的直流电机PWM调速系统
吴一平
（浙江农林大学工程学院 浙江杭州 311300）
摘 要：本文介绍了以单片机STCC51和L298控制的直流电机PWM (脉宽调制)调速系统，主要介绍了用单片机软件实现PWM调整电机转速的基本原理及选择。硬件电路实现了对电机的正转、反转、快速停止、加速，停止的控制。软件电路给出了主程序、子程序流程图以及Proteus的仿真结果。关键词：单片机STCC51 脉宽调制 直流电机中图分类号：TN710 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)05(a)-0108-02
直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机,相比其他类型电动机具有更好的调速性能，因此，直流电动机在工农业中被广泛应用。本文对基于单片机STCC51的直流电机PWM调速系统进行介绍，以期实现直流电机最优化方案。
低电平持续时间的长短，从而使电机电枢两端电压的占空比（即电机电枢通电时间相对于总时间所占的比例）发生变化，使电机电压平均值改变，最终实现对电机的调速。因此PWM又被称之为“开关驱动装置”。
2 系统硬件设计方案
2.1 系统硬件工作原理
该系统硬件主要包括单片机模块、保护模块、L298驱动模块、直流电机、测速模块、调速模块、键盘控制模块、LCD显示模块、电源模块。其中，单片机模块是ATC51单片机；保护模块是光电耦合器TLP521-4；测速模块是光电编码器；调速模块是5个开关，分别为正转、反转、减速、加速、停止；显示模块是7段共阳极数码管显示器；控制模块为非编码式键盘，可输入命令键，状态键与电动机转速的BCD码；电源模块是双路稳压电源，提供5V、12V供电电源。
系统的工作原理：本系统以STCC51单片机为核心，由控制模块输入发出指令传入单片机，通过STCC51内部的定时器T0输出PWM信号，经由光电耦合器MOC3021的保护，将PWM信号传入驱动芯片L298，经过一定的电压放大，使电机工作，之后光电编码器将电机速度反馈给单片机，同时调速模块进行调节，而电机速度则会显示于共阳极数码管显示器上。
如下对保护模块、L298驱动模块、测速模块进行进一步说明。2.2 保护模块
光电耦合器MOC3021连接于单片机和驱动装置之间,对输入输出有良好的隔离作用，可增强电路的安全性，提高电路的抗干扰能力。2.3 L298驱动模块
L298N是一种双H桥电机驱动芯片，包含4个通道的逻辑电路。VSS接逻辑控制电源。VS接电动机驱动电源。IN1，IN2输入引脚为标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关即实现电机的正反转，ENA、ENB引脚则为使能控制端，用来输入PWM信号实现电机调速。驱动原理：使能端ENA为高电平：输入端IN1为PWM信号，IN2为低电平信号时，电机正转；输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时，电机反转；IN1与IN2相同且都为高电平信号时电机加速，都为低电平信号
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1 直流电机PWM调速选择及原理
直流电动机的调速方法有改变改变磁通量、改变电枢
回路串联电阻以及改变电枢电压三种。在电枢回路串联电阻，调速范围不大并且铜耗大，不经济。弱磁调速中当磁通量Φ在低速时受磁极饱和，在高速时受换向器结构强度和换向火花的，而且由于励磁圈电感较大，动态响应较差，因此采用改变电枢电压的调速方法。
PWM（Pulse Width Modulation），全称为脉冲宽度调制，可以改变电枢电压值。PWM的优点是精度高，易于控制，运行稳定。
PWM调速方法有三种，分别为定频调宽法、调宽调频法和定频调宽法。前两种方法在调速时会改变控制脉冲的频率，而控制脉冲的频率与系统固有频率接近时会引起震荡，因此本文选用定频调宽法。
调速原理计算如下：
占空比，D=
t1t1=
t1+t2T式中，T为电压变化周期；
t1为一个周期内高电平持续时间；t2为一个周期内低电平持续时间；电机电压平均值U=DU0，式中，U0为总电压。电机转速：N=
U−IR，Kφ式中，U为电机电压平均值；I为电枢电流；
R为电枢电路总电阻；φ为每极磁通量；K为电动机参数。
利用单片机内部定时计数器T0的定时功能，PWM可在固定频率下控制电源的接通与断开，来改变一个周期内高
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掘进机电控箱 红外热释电传感器 报警区域
图2 作业区域报警装置与电控箱连接图
CZ2-D2（总急停输入点）和CZ2-D14（24VG）接点闭合，主控制器输入急停信号后，停止掘进机的油泵电源，由于掘进机只有油泵电机启动后，此时才能启动截割、二运和风机。 其余电机才可以得电运转，所以当油泵电机停电后，截割电机被闭锁停机，防止了事故的发生。当误入人员离开后，报警装置解除报警信号，控制继电器失电，常开接点断开主控器急停信号，这时候就可以启动油泵正常工作(图2)。
机器的电源，保证安全生产。只有对采掘设备不断增加自动化
技术，智能化监控及保护，才能真正保证设备的本质安全运行。
参考文献
[1] 李金伴.陆一心.电气材料手册[M].北京:化学工业出版社,2005.
[2] 张万忠.可编程控制器应用技术[M].北京:化学工业出版社,2001．
[3] 李道霖.电气控制与PLC原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2004．
2 结语
由于井下掘进工作面现场工作环境差，粉尘大，司机很难看清机器工作时的盲区范围，通过在掘进机机身增设防止人员误入报警装置，不仅解决了在工作中自动监控司机视线盲区的作用，而且在发生人员误入时能够快速报警，及时切断
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时，电机减速。使能端ENA为低电平：电机停止转动。2.4 测速模块
本设计中采用脉冲式光电编码器。光电编码器是一种将机械几何位移量转化为脉冲或数字量的传感器，是目前应用最多的传感器。测速原理：光电编码器随电机旋转,产生与转速成正比的两相(A相、B相)相差90°相位角的正交编码脉冲。如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转,否则为反转。A线用来测量脉冲个数,B线与A线配合可测量出转动方向。由此可测出电机转速与转向。
3 系统软件设计方案
3.1 Protues仿真线路图
Protues仿真线路图如图1。
3.2 流程图
系统程序由主程序和PWM输出程序组成。（1）主程序的主要功能是利用单片机的定时器T0，以及中断功能将输入电压转换成PWM信号输出，然后光电编码器进行测速，并将模拟量转化为数字量，送入单片机，随即数码管显示电机速度，判断速度的值，利用5个调速开关进行速度调节。
（2）PWM输出流程分为两个部分，第一个利用的是单片机的中断功能，当计时器溢出时，相应标志位打开中断，然后在3.7口输出PWM方波。先将标志位清零，然后定时器初始化，打开T0中断，通过赋值调整PWM输出的高电压和低电压的时间比，也就是调整PWM方波的占空比，然后从P3.7口输出。第二个利用的是测速控制装置，当P1.0至P1.4口开关分别闭合，可调整占空比数值，改变PWM信号的输出。
4 结语
本系统是基于STCC51单片机,在驱动装置L298下的直流电机调速系统,由多个模块共同组成。在仿真线路图制作中，暂未找到相应光电耦合器，但在硬件介绍方面已有详细说明。此系统结构性完整，功能齐全，具有合理的保护电路和测速装置，对以单片机做微处理器的直流电机控制系统具有良好的参考意义。
参考文献
[1] 蓝厚荣.单片机的PWM控制技术[J].工业控制计算机, 2010(3):97-98.
图1 仿真线路图
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