基于單片機控制的PWM直流調速系統的研究

張永志

摘 要：單片機是一種功能強、體積小、可靠性高的大規模集成電路器件，而電動機控制系統主要由模擬控制讓位于以單片機為主的微處理器控制，以形成數字和模擬的混合控制系統與純數字控制系統的運用。隨著單片機控制技術的不斷發展，被廣泛運用在較多領域中。本文就基于單片機控制的PWM直流調速系統進行研究，就其原理和設計框架展開分析。

關鍵詞：單片機控制；PWM直流調速系統；電動機；設計原理

伴隨著微型計算機技術的發展，單片機控制已經被廣泛運用在各行各業中，而對于工業的過程控制更是單片機控制技術的重要領域。開篇提到，電動機的控制部分，已經由原來的模擬控制技術逐漸變為以單片機為主的微處理器控制，最終形成了數字與模擬的混合控制系統，并且正在向著全數字的控制方向發展。下文基于以8032單片機為核心的小功率直流電機為對象，分析采用了PWM直流調速系統的原理和框架。

1 小功率電動機的調速原理分析

一般來說，要控制小功率的電動機，運用體積小、功能強的單片機來控制是最方便的。首先，通過改變電動機的電樞電壓接通時間和通電周期的比值，也就是說要改變電動機的占空比來控制電機的速度，這也是我們常說的脈沖寬頻調制技術（PWM）。其原理如圖1所示，我們可以看出，單片機通過控制脈沖占空比，利用頂寬調頻法或者調寬調頻法、定頻調寬法等幾種方法來改變電動機的電樞電壓。事實上，定寬調頻法與調寬調頻法都是依靠改變周期來實現控制目的的，當控制頻率接近于固有頻率時，電機就會產生震蕩，因此對于實際的使用產生不便，所以這兩種方式一般很少使用。

2 PWM直流調速系統硬件電路設計框架分析

下圖為采用8032單片機的PWM直流調速系統硬件電路設計框架圖，系統主要通過軟件編程定義鍵盤的各個鍵功能來達到顯示控制的目的。

從圖中可以看出，系統主要由按鍵輸入來下達命令給單片機，經過單片機的判斷識別和處理后由單片機將控制信號傳送到PWM控制模板中。這中間經過H橋驅動電路時，系統根據不同的脈沖占空比來控制電機的運轉，再經由光電編碼器測速后反饋到單片機中與給定值相比較。最后，通過LED數碼管顯示輸出，再根據反饋的偏差值發出對應的控制信號以實現閉控制。所謂光電編碼器就是一種通過使用光電轉換將輸出軸上的機械結合位移量轉換為脈沖的傳感器，主要由光柵盤和光電檢測裝置構成，因光電碼盤與電動機同軸，當電機旋轉時兩者同速，再經由發光二極管等電子元件的監測裝置后再輸出脈沖信號，以監測電機轉速。

事實上，在數控機床的直流伺服系統中，我們主要還是通過改變電動機的電樞電壓值來實現速度調節的。通常采用的是晶閘管相控整流調速以及大功率的晶體管脈寬調制調速（PWM）等方式，這兩種方法也非常適合與小功率的電機使用。一方面愛用脈沖寬度調制技術，通過改變脈沖的寬度，使得電動機的占空比改變，從而實現改變電樞電壓平均值，控制電動機轉速的目的。另一方面，使用PWM直流調速系統來實現控制電機轉速的目的有很多優勢。其主電路簡單，所用的功率元件就少；且其開放的頻率驕傲，可以有效避開機床的共振區，保證電動機的工作平穩度；另外，PWM直流調速系統采用的是功率較小的慣量電機時，其定位速度與精度都較高；且其低速時性能最好，穩速精度也較高，可調速的范圍也寬，抗干擾能力強。

3 PWM直流調速系統硬件設計分析

在基于單片機控制系統的PWM直流調速系統中，各個應用軟件一般是按照系統的功能需求來設計的，能夠穩定的實現系統的各項功能。軟件系統一般包括：初始化程序、鍵盤的掃描程序、處理程序、定時器、信號發生程序、測速模塊以及顯示程序模塊幾大部分，具體如圖3所示。

如圖所示，系統經過初始化程序后要進行鍵值的讀取，并根據按鍵的不同設計值對系統發出控制命令，以實現控制系統轉速。然后，再由測速模板將每次返回的值與設定值進行比較，采用PID控制算法，以對參數進行整定以保持整個過程的良好運行，最終完成系統的控制要求。

4 結束語

終上所述，基于單片機控制的PWM直流調速系統主要是通過單片機來實現對電機的各項調整，而這種調整也有多重方式。只要我們熟悉整個單片機的硬件與軟件系統設計，清楚整個控制流程和命令的傳輸，就能使用PWM直流調速系統輕松控制電動機，保證電動機的穩定安全運行。

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