基于單片機的直流電機PWM調速系統

劉笑飛，王 強，周晶晶

湖北工業大學機械工程學院，湖北武漢 430068

0 引言

目前，直流電機憑借其速度的可控性，穩定的啟動、制動，平滑而經濟的調速等特點，而在工業生產、城市建筑、農田水利等多方面得到廣泛應用[1]。直流電動機轉速的控制主要采用3種方法，即改變電樞回路總電阻；改變電樞的供電電壓；改變勵磁磁通[2]。但是，通過調壓的方式進行電機調速，會將一部分電壓轉化成熱能，使得能源利用率降低，造成了能源浪費。并且傳統調速方式還具有調節精度低，調速不穩定，可控性較差，裝置繁雜等缺點。而利用脈寬調制的方式對電機調速，不僅實現了對電機速度的實時調節，而且還體現了節約能源，經濟實用的特點。本文介紹了一種以單片機為核心的軟件調速系統，在單片機的控制下由PWM發生電路產生調速脈沖，對電機實現多級調速。

1 電機PWM調速原理

脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation），簡稱PWM。通過改變電機電樞兩端的電壓的占空比，來周期性的改變電壓接通和斷開的時間比，使得電壓的平均值發生改變，從而實現對電機的調速。相比電壓調速的方法，PWM調速具有精度高，易于控制等優點。另外，它的調速方式為脈寬調制所以不會有太多的能源浪費，可以保證系統較長時間的工作，這對于移動設備而言是巨大的優勢。

設一個電壓變化周期為T（為定值），一個周期內高電平時間t0 ，低電平時間t1 ，則占空比為：

由此可得平均電壓為：

圖1 系統結構圖

2 PWM調速硬件設計

直流電機驅動電路中，采用BTS7960B驅動芯片，兩個半橋功率驅動芯片BTS7960B組合成一個H橋驅動電路，驅動電流較大，可達43A，驅動電壓范圍5.5V～25V。直流電機驅動電路。

BTS7960B是一個集成的大電流半橋電機驅動芯片。該芯片的集成度較高，功能全面，運行穩定，剛干擾能力強，優于L298等其他驅動芯片。芯片中應用P溝道MOS場效應管，可以最大限度地減少電磁干擾。芯片的驅動集成電路通過功能邏輯電平輸入，電流檢測與診斷，控制死區時間生成，用來有效防止過熱、過壓、欠壓、過流和短路。直流電機驅動電路中，應用兩片BTS7960B構成H橋結構，可很好的實現電機的PWM調速。

3 PWM調速軟件設計

利用單片機所帶有的定時計數器，由指定的I/O口輸出占空比不同的方波。方波信號輸入驅動芯片的兩端，通過周期性改變占空比的大小，來改變電機兩端電壓的平均值，由此實現對電機速度的控制。

PWM電機調速的波形，每個方波周期為210.0ms，固定不變。但每個周期內高電平的所占時間卻發生了周期性變化，即占空比發生了改變，使得電壓發生改變[3]。產生PWM波形的程序如下。

圖2 PWM電機調速波形

由以上程序可知，通過不斷改變占空比，改變了電壓的平均值，產生所需要的調速方波。PWM電機調速波形如圖2所示。

4 結論

本系統以單片機為核心，運用軟件技術，通過PWM脈寬調制實現對直流電機的多級調速，有效減小了電機啟動和制動時對系統的沖擊。該系統造價低廉、結構簡單、設置靈活，適合用于直流電機的調速。經軟硬件結合調試，系統運行正常，達到預期目標。

[1]汪玉成.直流電機PWM調速系統設計[J].商場現代化，2007.

[2]李彩云，胡洪波.PWM技術在直流電機調速中的應用[J].南昌高專學報，2008.

[3]張家定，林幅嚴，崔宏月.基于MCS-51單片機的直流小電機PWM調速設計[J].中國科技論文在線，2007.