用于太陽能發電的直流電機PWM調速控制系統設計研究

楊晨 馬麗麗 蘇陽 張永鵬

【摘要】太陽能發電的應用越來越廣泛。本文研究了利用STC89C52系列單片機控制PWM信號，通過軟件編程對PWM信號占空比進行調節，控制其輸入信號波形。采用驅動模塊芯片L2989N作為直流電機調速功率放大電路的元件，設計將PWM的占空比輸出顯示在LED數碼顯示管上。通過按鈕控制占空比，從而實現對直流電機速度的控制。軟件方面，提出PWM信號產生程序與數碼顯示程序的建立方法，以及具體的程序實現，在Proteus上仿真成功之后，最終將實物連接調試出來。結果表明該控制系統具有簡單方便、快速響應、性能良好、魯棒性強的特點。

【關鍵詞】單片機控制;PWM信號;驅動模塊;占空比;數碼顯示管;Proteus仿真

1.引言

直流電動機調速系統數字化已經走向實用化，伴隨著電子技術的高度發展，促使直流電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，使直流電機調速技術又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。PWM控制技術以其控制簡單、靈活和動態響應好的優點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。本文利用太陽能發電的直流電能，單片機控制PWM信號，通過軟件編程對PWM信號占空比進行調節，控制其輸入信號波形。采用驅動模塊芯片L2989作為直流電機調速功率放大電路，將PWM的占空比輸出顯示在LED數碼顯示管上。通過按鈕控制占空比，從而實現了對直流電機速度的控制。在Proteus上仿真成功之后，最終將實物連接調試出來。設計的系統具有簡單方便、快速響應、性能良好、魯棒性強的特點。

2.系統總體及硬件設計

2.1 總體設計方案及選擇

在PWM驅動控制的調整系統中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉速。本設計方案采用單片機輸出PWM信號。用單片機控制占空比的數值，精確調整電動機轉速。

2.2 系統總體設計框圖

本系統采用單片機控制輸出PWM信號，經過驅動電路將信號送到直流電機，通過控制PWM輸出占空比，從而實現對電機速度和轉向的控制，達到直流電機調速的目的[1]。如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2.3 硬件選擇設計

設電機始終接通電源時，D為占空比，t1為導通時間，T為周期，設占空比為：

D=t1/T ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

則電機的平均速度為：

Vd=Vmax*D ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中Vd指的是電機的平均速度，Vmax是指電機在全通電時的最大速度，D=t1/T是指占空比。

本設計中通過單片機輸出當前的占空比，在數碼顯示管中顯示出來。由于占空比是0%～100%所以應該有三位數值，但是也可以有兩位數碼顯示：0%～99%。由于電機的正反轉也應該在數碼顯示中體現出來，可以加一位符號顯示，即“+”“-”來分別表示電機的正轉與反轉。但是最后考慮到實際的空間因素，選定了兩位數碼顯示管，顯示從0～99。然后通過控制兩位小數點的同時點亮與熄滅來分別代表電機的正轉與反轉。兩位共陰顯示管。

選用LG5022AH數碼管顯示和STC89C52單片機。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V;輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續工作電流為2A;額定功率25W。STC89C52單片機在電子行業中有著廣泛的應用[2]。

圖2 系統總體電路圖

經過單片機發出的PWM信號，通過L298N驅動電路最后驅動直流電機。將L298N的OUT1與OUT2連接在直流電機的兩端，然后為了方便觀察電機的轉向，在電機的兩側并聯兩個方向不同（分別代表正、反轉向）且顏色不一（紅、綠）的LED小燈泡[3]。

3.系統軟件設計和仿真及分析

本設計的主程序主要思路是，通過按鈕增大或減小設定好占空比，并且在數碼顯示管上顯示該占空比，當占空比增加或減小過零后，待到電機工作穩定后，改變轉向，穩定之后直流電機工作在此占空比對應的速度，進而控制電機的轉速，控制過程中電機速度的變化可以根據LED燈的變化趨勢明顯得到。

系統主程序

#include "reg52.h"

#include

sbit P1_0=P1^0;

sbit P1_7=P1^7;

void PWM（int k）

{

int m;uchar n;

k=k*5;

if（k>=0）

{

for（n=0;n<10;n++）

{

for（m=0;m

}

main（）

{

while（1）

{

PWM（Rn）;

if（key1==1）

{

Rn++; ? if（Rn>99） Rn=99;

if（Rn>=0）

{ q1=（Rn/10）%10;

w1=（Rn%10）;

P2=start_code1[q1];

P3=start_code1[w1];

}

q1=（RRn/10）%10;

w1=（RRn%10）;

P2=start_code2[q1];

P3=start_code2[w1];

}

Proteus軟件不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。在Proteus中根據所設計的系統電路圖，搭建好電路。調試運行，仿真成功，并且測出輸出波型[4]。

圖3 Proteus仿真輸出波形

4.實物搭建

硬件電路的搭建按照仿真及設計方案進行。直流電機PWM輸出的信號一般比較小，不能直接去驅動直流電機，它必須經過功放后再接到直流電機的兩端。該實驗裝置中采用直流15V的直流電壓功放電路驅動。直流電機選用額定電壓為220V，額定轉速為1600r/min，額定電流為1.2A，實物連接如圖4所示。

圖4 實物連接圖

通過仿真波形，可以看到與理論分析基本一致。通過仿真和硬件電路實現了提出的設計要求，理論分析的正確性，仿真波形的合理性，實際的應用性。

5.結論

利用直流調速系統理論、PWM控制技術、單片機知識、仿真軟件在Proteus 平臺中建立了直流電機PWM控制系統的仿真模型，搭建了設計的實際電路。

參考文獻

[1]陳錕，危立輝.基于單片機的直流電機調速器控制電路[J].中南民族大學學報：自然科學版，2003，22（3）：43-45.

[2]李廣弟，朱月秀，冷祖祁.單片機基礎[M].北京航空航天大學出版社（第三版），2009.

[3]黃偉鋒，吳麗宏.基于單片機的直流電機調速系統設計與仿真[J].機電工程技術，2010，39（12）：74-76.

[4]仝慶華.基于Proteus單片機虛擬實驗室，山西大同大學學報（自然科學版）[J].2009，25（2）：23-25.