基于單片機(jī)用軟件實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)
發(fā)布日期：2022/9/5點(diǎn)擊次數(shù)：633
隨著社會(huì)的發(fā)展，各種智能化的產(chǎn)品日益走人尋常百姓家。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的便攜性、低成品以及對(duì)電源的限制，小型直流電機(jī)應(yīng)用相當(dāng)廣泛。
對(duì)直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，我們可以采用多種辦法，本文在給出直流電機(jī)調(diào)整和PWM實(shí)現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上，提供一種用單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速的方法。
1直流電機(jī)調(diào)速原理根據(jù)勵(lì)磁方式不同，直流電機(jī)分為自勵(lì)和他勵(lì)兩種類(lèi)型。不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)機(jī)械特性曲線(xiàn)有所不同。對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，人為機(jī)械特性方程式為：Ke、K，――與電機(jī)有關(guān)的常數(shù)；Rad，Ra――電樞外加電阻、電樞內(nèi)電阻；n0An理想空載轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速降。
分析（1）式可得，當(dāng)分別改變％、和尺時(shí)，可以得到不同的轉(zhuǎn)速〃，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的調(diào)節(jié)。由于=，當(dāng)改變勵(lì)磁電流（時(shí)，可以改變磁通量（）的大小，從而達(dá)到變磁通調(diào)速的目的。但由于勵(lì)磁線(xiàn)圈發(fā)熱和電動(dòng)機(jī)磁飽和的限制，電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流//和磁通量只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故只能弱磁調(diào)速。而對(duì)于調(diào)節(jié)電樞外加電阻時(shí)，會(huì)使機(jī)械特性變軟，導(dǎo)致電機(jī)帶負(fù)載能力減弱。
對(duì)于他勵(lì)直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)改變電樞電壓時(shí)，分析人為機(jī)械特性方程式，得到人為特性曲線(xiàn)如所示。理想空載轉(zhuǎn)速％隨電樞電壓升降而發(fā)生相應(yīng)的升降變化。不同電樞電壓的機(jī)械特性曲線(xiàn)相互平行，說(shuō)明硬度不隨電樞電壓的變化而改變，電機(jī)帶負(fù)載能力恒定。當(dāng)我們平滑調(diào)節(jié)他勵(lì)直流電機(jī)電樞兩端電壓時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。
基于以上特性，改變電樞電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)的方法被廣泛采用。改變電樞電壓可通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)，如晶閘管供電速度控制系統(tǒng)、大功率晶體管速度控制系統(tǒng)、直流發(fā)電機(jī)供電速度控制系統(tǒng)及晶體管直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)等。
2PWM基本原理及其實(shí)現(xiàn)方法2.1PWM基本原理PWM是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。
在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。
如所示，在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。
設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速****為=則電機(jī)的平均速度為肪沖信號(hào)由公式（2）可見(jiàn)，當(dāng)我們改變占空比Dd/r時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度K與占空比D并不是嚴(yán)格的線(xiàn)性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線(xiàn)性關(guān)系。
2.2實(shí)現(xiàn)方法PWM信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法：一種是軟件的方法；另一種是硬件的方法。硬件方法的實(shí)現(xiàn)已有很多文章介紹，這里不做贅述。本文主要介紹利用單片機(jī)對(duì)PWM信號(hào)的軟件實(shí)現(xiàn)方法。
器7；和。通過(guò)控制定時(shí)器初值'和，從而可以實(shí)現(xiàn)從8051的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。由于PWM信號(hào)軟件實(shí)現(xiàn)的核心是單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，而不同單片機(jī)的定時(shí)器具有不同的特點(diǎn)，即使是同一臺(tái)單片機(jī)由于選用的晶振不同，選擇的定時(shí)器工作方式不同，其定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系也不同。因此，首先必須明確定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系。如果單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為/，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為yv位，則定時(shí)器初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系為：N個(gè)機(jī)器周期的時(shí)鐘數(shù)。
W隨著機(jī)型的不同而不同。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機(jī)型給出相應(yīng)的值。這樣，我們可以通過(guò)設(shè)定不同的定時(shí)初值7，從而改變占空比/>，進(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
2.3控制程序設(shè)計(jì)控制程序的設(shè)計(jì)有兩種方法：軟件延時(shí)法和計(jì)數(shù)法。軟件延時(shí)法的基本思想是：首先求出占空比/>，再根據(jù)周期T分別給電機(jī)通電M個(gè)單位時(shí)間t.，所以M=￠，A……然后，再斷電ST個(gè)單位時(shí)間，所以M=t2/tQ.改變M和M的值，從而也就改變了占空比。計(jì)數(shù)法的基本思想是：當(dāng)單位延時(shí)個(gè)數(shù)M求出之后，將其作為給定值存放在某存儲(chǔ)單元中。在通電過(guò)程中，對(duì)通電單位時(shí)間的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并與存儲(chǔ)器的內(nèi)容進(jìn)行比較。
若不相等，則繼續(xù)輸出控制脈沖，直到計(jì)數(shù)值與給定值相等，使電機(jī)斷電。
3應(yīng)用舉例以89C51單片機(jī)為核心的油輥電機(jī)控制系統(tǒng)控制簡(jiǎn)圖如所示。單片機(jī)按預(yù)定算法計(jì)算出定時(shí)初值，由軟件轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)，并由P3.輸出，經(jīng)放大器及固態(tài)繼電器輸出給電機(jī)，從而控制電機(jī)得電與失電。
軟件采用計(jì)數(shù)法加軟件延時(shí)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。如所示，單片機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)按動(dòng)啟動(dòng)按鈕后，判斷P 3.0是否高電平。然后，根據(jù)P3.0分別進(jìn)人計(jì)數(shù)值與預(yù)定值比較環(huán)節(jié)，當(dāng)計(jì)數(shù)值與預(yù)定值相等時(shí)，清計(jì)數(shù)寄存器，并置P 3.0為相反狀態(tài)，進(jìn)人延時(shí)程序。根據(jù)不同的加減速按鈕，調(diào)整P3.0輸出高低電平時(shí)的預(yù)定值，從而可以控制P3.0輸出高低電平時(shí)的延時(shí)時(shí)間，進(jìn)而控制電壓的大小。控制程序成功的應(yīng)用于紡織機(jī)油輥電機(jī)的加減速控制。
4結(jié)束語(yǔ)通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)整有多種途徑。相對(duì)于其他用硬件或者硬軟結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，采用PWM用純軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速過(guò)程，具有更大的靈活性和更低的成本，能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的效能，對(duì)于簡(jiǎn)易速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。對(duì)于軟件，采用計(jì)數(shù)法加軟件延時(shí)法進(jìn)行設(shè)計(jì)的思路，為采用純軟件對(duì)電機(jī)速度的平滑調(diào)節(jié)提供了一種不錯(cuò)的解決方案，經(jīng)過(guò)在“油輥電機(jī)控制系統(tǒng)”中的實(shí)際應(yīng)用證明，能夠取得滿(mǎn)意的效果。
