基于PWM的直流电机闭环调速系统的设计

介绍PWM在直流电机调速系统中的作用。

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基于PWM的

直流电机闭环调速系统的设计

韩新红 华云松 尚 亮/上海理工大学 光电信息与计算机工程学院（上海·

200090）

介绍一种单片机控制下的直流电机调速系统，以速摘 要：

度、电流作为反馈信号来实现双闭环控制，软件实现PWM的生成，该设计具有结构简单、性能稳定等特点。直流电机；调速；闭环；单片机；PWM；关键词：

中图分类号： TP273 文献标识码： A1673-1131(2010)01-033-03 文章编号：

PWM技术是利用电力电子器件，通过调节电枢电压来控制调节直流电动机的转速。该技术是利用单片机来实现直流电机的数字化控制，同时具有精度高、响应快、结构简单、系统输出电压和电流稳定以及能耗低等优点。

二、PWM直流电机调速原理

2.1 PWM调速原理

单片机输出的脉冲信号经分频和运放调理后，成为适合功率场效应管驱动的PWM的信号，通过控制功率场效应管的导通和关断来控制输出的直流电压脉冲宽度，从而使

【1】

输入的直流电压变成一系列幅值相同的电脉冲，通过定【2】频调宽来实现变压的目的。其原理如图1所示。

一、引言

直流电动机由于具有良好的调速性能，因而在精度要求较高的速度控制系统中得到了广泛的应用。传统的模拟控制直流电动机调速系统存在着调节时间长、误差大、可靠性低、数据显示与记录不便等缺点，难以满足实际应用中提出的控制要求。

图1 PWM控制原理

Based on the closed-loop PWM DC Motor Speed

Control System Design

Abstract: Introduction of a DC motor speed control system, which is controlled by a single-chip microcomputer in the system, speed and current as a feedback signal to achieve the double closed-loop control, PWM is generated by software, The design is simple in structure, stable performance and so on..

Key words: DC motor; PWM; double closed-loop；single-chip microcomputer

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速度变化快，以便尽快地把电机转速拉向给定值，实现调速过程的快速性;而当转速接近给定值时又能使电机的转矩自动减小，这样可以避免过大的超调，使转速很快达到给定

【3】值，实现静态无差。仅采用速度闭环的调速系统在调速

图1中a图里的电容C1起滤波作用；采样电阻R1两端压降反映电路中电流的大小；续流二极管K1用来保护作为开关的场效应管，当场效应管截止时，把电动机绕阻电感所贮存的能量释放出来。

电机工作时，经整流器和滤波电容AC/DC转换后的电调速系统输出电压平均值为U0，则U0为：源电压为Ud，

（1）

式中：U0——电枢电压； T——脉冲周期； Ud——电源电压。

调速系统输出电压的有效值(U) 为：

（2）

式中： k ——占空比。

通过式（1）和式（2）可见在PWM 调速系统中，如果电电枢端电压的平均值U0则取决于占空源电压Ud保持不变，

比k的大小，通过改变k的大小就可以改变电枢端电压U0，实现调速目的。图1里b中采用定频调宽的方法，维持周期T恒定不变，通过改变t1来改变占空比的值，实现电枢端电压的平均值U0改变的。

2.2 速度、电流双闭环原理

PWM的生成的控制信号，采用速度、电流双闭环生成，双闭环可由硬件或者软件完成，也可采用硬软件结合，框图2中的速度调节器（PI）和电流调节器（PID）是利用VC软件编程实现。整个速度、电流双闭环控制原理如图2所示。其中，速度环作为控制外环用于保证调速的精度，采用速度负反馈的办法实现，具体方法是：将速度给定信号与实际速度反馈信号相比较，经PI调节后的输出信号作为电流的给定信号输入电流调节器，与检测到的电流经PID调节，作为PWM的生成的控制信号。

过程中，当速度给定发生突变时，逆变器的输出电压很大，可能引起电机电枢电流剧增，使逆变器损坏，电流环作为内环减少电流冲击的影响，获得较好的静态和动态性能。无刷直流电机双闭环系统结构图。

三、系统硬件构成

本系统采用AT89C52 作为（调速）核心，其特点是：8k字节Flash 闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O 口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。利用微处理器相当强大的数字处理能力，生成正确的PWM 控制信号，。主要有速度检测电路、电流采样电路、键盘电路、驱动电路和保护电路。

转速的测量：本系统中转速测量方法采用的是数字测试方法:在被测电机轴上安装以光电编码盘，其工作原理是，上面有k (k一般为60的整数倍)个均匀小孔，当光束通过小孔时候，投射到光敏二极管上产生电信号，当光束无孔部分遮住时，光敏二极管无信号，光敏二极管产生的信号频率正比于电机的转速，即通过在l00 ms内所记录光电传感器发出的脉冲数来换算成转速: S= (n/k) /100X 106

电流测量：如图1所示，电流采样电阻的压降直接反映了主回路电流的大小，经应一定变化可作为电流信号输入给单片机.采样电阻有时采用几个同种型号的电阻并联，以减小功率的损失和保持电阻性能的稳定。

图

2 双闭环结构图

从图2可以看出是：速度调节器（PI）的输出作为电流调节器（PID）的给定来控制电动机的电流和转矩。这样做的优点是：可以根据给定速度与实际速度的偏差及时地控制电机的转矩，从而使在速度差值比较大时电机转矩大，

图

3 驱动电路

驱动电路： R22、R23起限流作用保护Q4、Q1的B基和G基，在场效应管频繁的关开时会对管子D、S基造成很大冲击，利用电容的延时功能C8、R2

起到很好的保护作用，

D3

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是续流二极管由于电路中导线引起寄生电容，D3的作用就是在Q4不工作时，将寄生电容储存的能量释放出去由此也可见电路中Q1的D端G端各串联一个电感以耦合掉电路中的容性，只是在给出的图示中没用表示出来。脉冲出现高电势时Q4导通Q1的G为高电平，Q1导通，电路开始工作，反之电路工作。

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系统测量得到的速度数据以Excel文件格式每秒10次的形式储存在计算机中，图5给出部分数据和速度曲线，从中可以看出在稳定运行状态下，突加负载后，转速很快降落2-3秒后速度稳定下来，可得出该系统的快速性和稳定性都比较理想。

四、系统软件设计

本调速控制系统软件要完成数据采集，对数据依据PID调节规律进行运算，利用偏差对电机转速实行调节，同时能够接受键盘修改参数，使系统达到最佳工作状态。 设计上采用模块化设计方法，各个功能子块独立。整个软件在结构上分为主程序和中断服务程序. 主程序包括I/O口初始化、时钟、转速给定、速度调节和电流调节算法的执行等. 从整体上看，控制系统的软件是一个实时系统，关键执行步骤—PWM脉冲产生中断程序。中断使得 单片机可以在事件发生时才予以处理,而不必让处理器处于连续不断的查询状态, 大大提高单片机的效率，如图4所示，同时也实现过流保护。 …… 此处隐藏：2097字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……