基于PWM和PID的直流電動機控制系統設計與制作

張 濤， 張曉宇， 王輝俊

(華北科技學院，河北 三河 065201)

0 引 言

現代工業生產中，電動機是主要的驅動設備。在自動控制系統的教學過程中，直流電動機是常用的控制對象。

伴隨著電子技術的高度發展，促使直流電動機調速逐步從模擬化向數字化轉變，特別是單片機技術的應用，使直流電動機調速技術進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發展的趨勢。

相對于交流電動機而言，直流電動機的調速基本原理比較簡單。只要改變直流電動機的電壓就可以改變轉速了。改變電壓的方法很多，最常見的是采用脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation, PWM)，調節直流電動機的電樞電壓的占空比就可以控制直流電動機的平均電壓，進而調節轉速。

本文以單片機為控制器，以小型直流電機為控制對象，設計和制作利用脈沖寬度調制(PWM)原理和PID控制原理來實現直流電動機控制系統，實現電機的啟動、制動、正轉、反轉、速度調節，并在LED數碼管上實時顯示給定轉速及動態轉速[1-2]。

1 設計目標

本系統是對小型直流電動機轉速實現閉環控制，要實現的控制目標為：調速范圍500～5 000 r/min，靜差率s≤10%，超調量σ%≤20%，調節時間≤2 s。

本設計選擇的小型直流電動機的參數為：額定電壓12 V，空載轉速15 000 r/min，減速后為100 r/min，空載電流20 mA。另外，小型直流電動機自帶AB相光電編碼器，16脈沖。小型直流電動機共6根接線，分別為：編碼器VCC(+5 V)，GND，A，B，電樞2根線。

2 系統設計

基于PWM和PID的直流電動機控制系統的原理框圖如圖1所示。系統以單片機系統為依托，根據PWM調速的基本原理，通過改變直流電動機電樞電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速，實現對直流電動機的平滑調速。系統可以通過單片機鍵盤或者電位器來控制給定速度的大小[3-4]。

圖1 直流電動機控制系統的原理框圖

依據直流電動機控制系統的原理框圖，設計的系統結構如圖2所示。系統首先通過4*4鍵盤或者電位器給定轉速；然后系統利用單片機產生PWM信號，通過驅動電路控制直流電動機；直流電動機通過光電編碼器反饋轉速信號供單片機采集動態轉速，與反饋轉速進行比較，進行PID運算，從而實現對電動機速度和轉向的控制，達到直流電動機調速的目的。電流檢測可以測量電樞繞組電流大小，防止過電流。2組4位LED數碼管分別用于給定轉速和動態轉速[5-8]。

圖2 直流電動機控制系統的結構框圖

3 直流電動機驅動電路設計

PWM廣泛應用于直流調速系統，它是利用半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變成電壓脈沖序列，并通過控制電壓脈沖寬度或周期以達到變壓目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術[9-11]。

基于雙極式控制可逆PWM變換器的直流電動機驅動電路如圖3所示，其中VPC可接+12 V或+5 V直流電源，PWM接P1.6，MOT1、MOT2接電樞繞組。電阻R15串聯在電樞繞組中，為電流取樣電阻，通過采集其上的電壓值可知道電樞電流的大小。

圖3 直流電動機驅動電路

4 單片機系統設計

4.1 單片機

本設計選用AT89S52型號的單片機。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8 b微控制器，具有8 KB在系統可編程Flash 存儲器。

單片機系統電路由AT89S52單片機和復位電路、時鐘電路、電源電路、控制電路(地址鎖存允許控制、程序儲存允許控制、外部訪問允許控制)等部分組成。

4.2 鍵盤電路設計

圖4 鍵盤電路

4.3 顯示電路設計

圖5 顯示電路

4.4 模數轉換電路設計

模數轉換電路主要是對電位器給定電壓和電樞電流信號進行采集，根據電位器電壓改變給定轉速的大小。設計的模數轉換電路如圖6所示。由于要實現過流保護，所以需要采集電樞電流信號，當超過設定值時使電機停轉。所采用的模數轉換器為ADC0804，是一個單通道8位逐次比較式器件，而要采集的信號有兩路，所以增加了一個多路選擇開關CD4051，實現通道的選擇。其中IN0接電樞電流，IN1接電位器輸出電壓。ADC0804片選端和CD4051地址端通過74LS373分別接AD11、AD12、AD13、AD14，通道0地址為0x00FF，通道1地址為0x10FF。

圖6 模數轉換電路

5 軟件設計

主程序軟件流程圖如圖7所示，主要完成實時性要求不高的功能，完成系統初始化后，實現鍵盤處理、刷新顯示等功能[12-16]。

6 仿真驗證

根據前述的硬件電路設計方案和軟件程序設計方案，設計直流電動機控制系統的Proteus仿真模型，仿真模型如圖8所示。仿真結果表明，前述的硬件電路設計方案和軟件程序設計方案具有可行性，可以進行實物制作。

圖7 主程序軟件流程圖

圖8 直流電動機控制系統的仿真模型

7 實物制作

在仿真模型驗證的基礎上，根據前述的硬件電路設計方案和軟件程序設計方案，首先制作印刷電路板(PCB)，然后焊接各種元器件；其次，編制和調試軟件程序，將軟件程序下載到硬件電路；最后運行直流電動機控制系統，檢驗運行參數是否滿足設計指標的要求。

8 結 語

設計的直流電動機控制系統在硬件上采用了基于PWM技術的H型橋式驅動電路，解決了直流電動機的效率問題，在軟件上也采用較為合理的系統結構及算法，提高了單片機的使用效率，且更有效地實施了對直流電動機的速度控制。本文利用仿真軟件驗證設計內容的正確性和可行性，并通過制作實物證明了基于單片機的直流電動機控制系統的設計方案具有一定的實際應用價值。

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