直流電機PWM可逆調速系統設計

郭小龍（曲阜師范大學工學院,山東 日照 276800）

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直流電機PWM可逆調速系統設計

郭小龍
（曲阜師范大學工學院,山東 日照 276800）

摘 要：旋轉電機的形式主要有三種：直流電機、異步電機、同步電機。其中，直流電機由于具有較為完善的啟動性能和寬廣平滑的調速特性在生產和生活的各個領域得到廣泛的應用。本文對直流電機的調速方法進行了分析，重點對PWM控制的直流電機調速系統進行了設計。

關鍵詞：直流電機；PWM；調速

0 引言

直流電機是形成最早的一種電機形式，廣泛應用于交運、航天、自動化等各種領域中。早期的直流電機控制系統由各種非線性電子電路組成，結構復雜、功能單一，限制了其應用。隨著電力電子技術的發展和進步，脈沖寬度調制技術（Pulse-Width Modulation，簡稱PWM）逐漸成熟，在很大程度上帶動了直流電機的發展。PWM的主要原理是通過控制半導體器件的通斷來產生一系列幅度相同、寬度不等的矩形波，根據等面積定則可以通過控制這些矩形波的寬度來模擬各種形式的信號，即PWM通過控制半導體器件的通斷時間來控制輸出電壓的幅值和頻率。

隨著電子技術、信息技術和控制技術的發展，采用芯片對直流電機的速度進行調節逐漸得到應用。芯片在直流電機調速系統中的主要作用是產生PWM調制信號，還具有一定的其他控制功能。單片機以其占地面積小、能耗低、價格便宜、使用簡便而成為直流電機調速系統的第一選擇。

1 直流電機的調速方法

根據直流電機的基本工作原理，其轉速主要由三個條件決定：端電壓U、主磁通Φ和電樞回路內阻R，根據這三個條件可以將直流電機的調速方法分為三種。

（1）改變端電壓U調速。直流電機的轉速與其端電壓U正相關，調節端電壓U的高低可以連續得調節轉速的快慢，在調節的過程中，電機的轉矩近似保持恒定。采用這種方式，可以獲得比較快的響應速度和比較平滑的速度特性，但是需要裝置額外的可調電源，價格較高。

（2）改變主磁通Φ調速。通過調節勵磁電流If的大小可以方便得控制電機主磁通Φ的高低，進而改變直流電機的轉速。在調節的過程中，直流電機的電磁功率近似保持恒定。采用這種方式，可以獲得比較平滑的速度特性曲線，但是只能使電機的速度由低到高變化而不能使轉速降低，并且響應速度較慢。

（3）改變點數回路內阻R調速。改變電樞回路的內阻R，可以間接改變端電壓U的大小，進而改變電機的轉速。采用這種方式，具有價格低廉、操作簡單的優勢，但是不能獲得平滑的轉速特性，機械特性較差，在啟動的過程中基本上無法發揮作用，并且外接電阻會消耗額外的能量。因此，這種方式的使用場合很少。

綜合比較以上幾種方法的優缺點，本文采用改變電樞電壓的方式進行調速。根據上文的分析，采用這種方式需要配備大容量的可調電源，本文通過PWM電路實現。

2 PWM調速系統整體設計及基本原理

（1）系統整體設計。本文采用STC89C52RC型單片機產生PWM信號對直流電機的速度進行調節。系統需要實現的主要功能有五個：電機的啟動、停止、加速、減速、反轉。根據系統的功能可以將其分為三個主要部分：輸入、控制、輸出。輸入部分可以通過選擇直流電機的運行狀態；控制部分的主體為STC89C52RC型單片機，還包括其他的輔助電路；輸出部分主要有液晶數碼顯示器組成，主要作用是讀取PWM電路的占空比，可以方便得了解電路的運行狀態。輸入部分和輸出部分構成比較簡單，本文主要對控制部分進行分析。

（2）PWM調速原理。PWM通過控制電力電子器件的通斷，產生一系列幅值相同、寬度不等的矩形波，對直流電機進行控制。圖1給出了PWM調速的基本結構。

圖1給出的PWM電路結構為雙極性，即電路的輸出只有兩種形式的電平。電路的主要元件為VT1、VT2、VT3、VT4四個晶閘管，通過控制其所在支路的通斷時間，即可自由控制直流電機兩端的電壓。VT1和VT4所在支路導通時，電樞供電電壓UAB為正，VT2和VT3所在支路導通時，電樞供電電壓UAB為負，兩條支路的控制信號互補，并且留有一定的死區時間。通過控制VT1和VT4所在支路和VT2和VT3所在支路的通斷時間比例，即占空比的高低，即可以方便得控制PWM電路輸出矩形波的等效正弦電壓的幅值，進而控制直流電機電樞回路的供電電壓。

3 系統硬件設計

本文的設計為基于STC89C52RC型單片機的直流電機PWM可逆調速系統，本章將對系統各模塊的硬件構成進行設計。

（1）STC89C52RC型單片機介紹。STC89C52RC型單片機是由我國宏晶科技有限公司生產的一種8為STC增強型8051系列單片機。篇幅所限，STC89C52RC型單片機各管腳的功能本文不再贅述，具體見參考文獻5。

（2）系統電源。系統中的STC89C52RC型單片機及控制部分中的其他輔助電路均采用DC-5V供電電源，但是直流電機的驅動電路供電電源為DC-12V，所以，系統中還需要設置一個將可以實現直流電壓變換的電路。本設計選擇使用線性穩壓電源實現此功能。其工作原理見圖2。

從圖2可以看出，系統所采用的直流電壓變換器具有兩個輸出，電路結構非常簡單，并且具有穩態精度高的優點，還能夠在一定程度上抵抗交流側輸入電壓的不正常波動。

（3）PWM輸出。PWM信號的產生主要由系統控制部分的STC89C52RC型單片機完成，在P3.7端口生成一系列幅值相同、寬度不等的矩形波。關于矩形波的形式，本文采用周期恒定、占空比改變的方式，通過調節占空比的高低來控制直流電機電樞兩端電壓U的大小，進而控制轉速連續變化。

（4）電動機驅動模塊。本文采用L298芯片對直流電機進行驅。由于STC89C52RC型單片機P3.7端口產生的矩形波幅值較小，所以不能直接將其加在電機兩端進行驅動，需要加設一些輔助電路對矩形波的幅值進行放大，L298芯片即可完成此功能。L298芯片工作于單極性方式，即直流電機電樞供電電壓極性保持不變。STC89C52RC型單片機P3.7端口的輸出作為L298芯片的是能信號，控制其工作與否，間接控制直流電機的端電壓高低進行調速。由于本文研究的對象為小容量直流電機，因此，只需要占用L298芯片的兩個驅動端口中的一組即可，另一組引腳可以懸空或通過上拉電阻接高電平。

（5）系統整體設計圖。圖3為直流電機PWM可逆調速系統的整體設計圖，系統的DC-5V和DC-12V供電電源由圖2單獨給出。

4 結論

本文對基于STC89C52RC型單片機的直流電機PWM可逆調速系統進行了設計，重點對系統的控制部分進行了分析。系統的控制部分主要由STC89C52RC型單片機和L298芯片以及供電電源和一些輔助電路構成。STC89C52RC型單片機的主要作用是產生一系列幅值相同、寬度不等的矩形PWM信號波，L298對這些矩形波的幅值進行放大，增強對電機的驅動能力。由于能力所限，本設計尚存在各種缺點，需要在將來的工作中作進一步改進。

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DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.158