一种直流电机PMW调速系统

一种直流电机PMW调速系统

技术领域

本发明专利涉及单片机技术领域，具体涉及一种直流电机PMW调速系统。

背景技术

由于步进电机不需要位置传感器或速度传感器就可以实现定位，即使在开环状态 下它的控制效果也是令人非常满意的，这有利于装置或设备的小型化和低成本，因此步进 电机在计算机外围设备、数控机床和自动化生产线等领域中都得到了广泛的应用。

对于一个步进电机控制系统而言，总希望它能以最短的时间到达控制终点。因此 要求步进电机的速度尽可能地快，但如果速度太快，则可能发生失步。此外，一般步进电机 对空载最高启动频率都是有所限制的。当步进电机带负载时，它的启动频率要低于最高空 载启动频率。根据步进电机的矩频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带负载的能力 越差。当步进电机启动后，进入稳态时的工作频率又远大于启动频率。由此可见，一个静止 的步进电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动时有一个加速的过程。从高 速运行到停止也应该有一个减速的过程，防止步进电机因为系统惯性的原因，而发生冲过 终点的现象。为此本文以单片机作为控制核心，实现步进电机的自动加减速控制，使系统以 最短的时间到达控制终点，而又不发生失步的现象。因为步进电机的转速正比于控制脉冲 的频率，所以调节步进电机的转速，实质上是调节单片机输出的脉冲频率。

由于步进电机的运动特性受电压波动和负载变化的影响小，方向和转角控制简 单，并且步进电机能直接接收数字量的控制，非常适合采用微机进行控制。步进电机工作 时，失步或者过冲都会直接影响其控制精度。研究步进电机的加减速控制，可以提高步进电 机的响应速度、平稳性和定位精度等性能，从而决定了步进电机控制系统的综合性能。

发明专利内容

本发明专利涉及一种直流电机PMW调速系统，本发明设计了一种基于STC89C52单 片机控制的PMW直流电机脉宽调速系统，本发明以STC89C52单片机为控制核心，以直流电机 为控制对象，电机的转速可通过按键进行调整。

本发明解决以往复杂的模拟电路设计问题，增加对直流电机速度的可控性，提高 调速系统的精度，且成本低廉，具有很好的使用价值。

附图说明

图1：PWM调速电路图。

图2：电机调速系统框图。

图3：H桥驱动电路图。

图4：H桥驱动电机顺时针转动图。

图5：H桥驱动电机逆时针转动图。

图6：电枢电压占空比图图。

图7：STC89C52的引脚排列图。

图8：H桥的电机驱动电路图。

具体实施方式

为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本发明专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本发明专利，并不用于限定本发明专利。

本发明专利涉及一种直流电机PMW调速系统，本发明设计了一种基于STC89C52单 片机控制的PMW直流电机脉宽调速系统，本发明以STC89C52单片机为控制核心，以直流电机 为控制对象，电机的转速可通过按键进行调整。

进一步的，本发明采用由达林顿管组成的H型PWM电路，其电路图如图1所示，本发 明用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种 电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速 和方向的控制；电子开 关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。本 发明采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片 机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差 在允许范围。其结构图如图2所示。

进一步的，图3所示的H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，电路得名于 “H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极 管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电 机的转向。要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4所示，当左端加 低电平，右端加高电平时，Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右流过电机， 然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。图 5所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一 方向转动(电机周围的箭头表示为逆时针方向)。

进一步的，直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。 不同的励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。电枢控制是在励磁电压不变的情况 下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。在工业生产中广泛使用其中脉 宽调制(PMW)应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通 过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来 改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PMW又被称为“开关驱动装置”。根据图 6，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，占空比为D＝t1/T，则电机的平均速度 为Vmax*D，可见只要改变占空比D，就可以得到不同的电机速度，从而达到调速的目的。

进一步的，STC89C52是美国Atmel公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内 含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256bytes的随机存取数据存储器 (RAM)，STC89C52有40个引脚，32 个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口， 3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。其引脚排列图如图7。

进一步的，基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H桥功率驱动电路直 流电机控制使用H桥驱动电路如图8，当PWM1为低电平，PWM2为高电平时，使三极管Q1、Q6同 时导通Q2、Q5截止，从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理，当PWM1为高电平，PWM2为 高电平时，使三极管Q2、Q5同时导通Q1、Q6截止，从而实现电机反向转动以及转速的控制。

进一步的，霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度 变化的霍尔电压EH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变 化的方波信号。信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。单位时间内输出的 脉冲数N，因此可求出单位时间内的速度V＝NT。

进一步的，在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源， 并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压 的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此， PWM又被称为“开关驱动装置”。

进一步的，本发明采用89C52控制输出数据，由PWM信号发生电路产生PWM信号，送 到直流电机，直流电机驱动装于电机轴上的码盘来对电机转动的转数进行测量。通过按键 电路，信号输入进单片机，然后从单片机通过驱动电路使电机转动，电机有磁铁一段转到霍 尔器件时，电压改变而产生信号又送入单片机，单电机再把信号通过数码管驱动电路，最终 使得数值在数码管上显示。

进一步的，本发明的主程序流程代码如下：

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本 发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进 等，均应包含在本发明专利 的保护范围之内。