专业论坛 Specialized forum 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） 摘 要：介绍一种单片机控制下的直流电机调速系统，以速 PWM技术是利用电力电子器件，通过调节电枢电压来 度、电流作为反馈信号来实现双闭环控制，软件实现PWM 控制调节直流电动机的转速。该技术是利用单片机来实现 的生成，该设计具有结构简单、性能稳定等特点。 直流电机的数字化控制，同时具有精度高、响应快、结构简 关键词：直流电机；调速；闭环；单片机；PWM； 单、系统输出电压和电流稳定以及能耗低等优点。 中图分类号： TP273 文献标识码： A 文章编号：1673-1131(2010)01-033-03 二、PWM直流电机调速原理 2.1 PWM调速原理 一、引言 单片机输出的脉冲信号经分频和运放调理后，成为适 直流电动机由于具有良好的调速性能，因而在精度要 合功率场效应管驱动的PWM的信号，通过控制功率场效应 求较高的速度控制系统中得到了广泛的应用。传统的模拟 管的导通和关断来控制输出的直流电压脉冲宽度，从而使 控制直流电动机调速系统存在着调节时间长、误差大、可靠 输入的直流电压变成一系列幅值相同的电脉冲【1】，通过定 性低、数据显示与记录不便等缺点，难以满足实际应用中提 频调宽来实现变压的目的【2】。其原理如图1所示。 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 韩新红 华云松 尚 亮/基于PWM的直流电机闭环调速系统的设计 2010 No.1 33 

Information 信 息 通 信 & communications 图1中a图里的电容C1起滤波作用；采样电阻R1两端压 速度变化快，以便尽快地把电机转速拉向给定值，实现调速 降反映电路中电流的大小；续流二极管K1用来保护作为开 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 关的场效应管，当场效应管截止时，把电动机绕阻电感所贮 动减小，这样可以避免过大的超调，使转速很快达到给定 存的能量释放出来。 值，实现静态无差【3】。仅采用速度闭环的调速系统在调速 电机工作时，经整流器和滤波电容AC/DC转换后的电 过程中，当速度给定发生突变时，逆变器的输出电压很大， 源电压为Ud，调速系统输出电压平均值为U0，则U0为： 可能引起电机电枢电流剧增，使逆变器损坏，电流环作为内 （1） 环减少电流冲击的影响，获得较好的静态和动态性能。无 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： 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， （2） 3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双 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 源电压Ud保持不变，电枢端电压的平均值U0则取决于占空 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 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、 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 键盘电路、驱动电路和保护电路。 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。 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 2.2 速度、电流双闭环原理 是，上面有k (k一般为60的整数倍)个均匀小孔，当光束通过 PW M的生成的控制信号，采用速度、电流双闭环生 小孔时候，投射到光敏二极管上产生电信号，当光束无孔部 成，双闭环可由硬件或者软件完成，也可采用硬软件结合， 分遮住时，光敏二极管无信号，光敏二极管产生的信号频率 框图2中的速度调节器（PI）和电流调节器（PID）是利用VC 正比于电机的转速，即通过在l00 ms内所记录光电传感器发 软件编程实现。整个速度、电流双闭环控制原理如图2所 出的脉冲数来换算成转速: S= (n/k) /100X 106 示。其中，速度环作为控制外环用于保证调速的精度，采用 电流测量：如图1所示，电流采样电阻的压降直接反映 速度负反馈的办法实现，具体方法是：将速度给定信号与实 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 际速度反馈信号相比较，经PI调节后的输出信号作为电流 单片机.采样电阻有时采用几个同种型号的电阻并联，以减 的给定信号输入电流调节器，与检测到的电流经PID调节， 小功率的损失和保持电阻性能的稳定。 作为PWM的生成的控制信号。 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 图3 驱动电路 调节器（PID）的给定来控制电动机的电流和转矩。这样做 驱动电路： R22、R23起限流作用保护Q4、Q1的B基和 的优点是：可以根据给定速度与实际速度的偏差及时地控 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 制电机的转矩，从而使在速度差值比较大时电机转矩大， 击，利用电容的延时功能C8、R2起到很好的保护作用，D3 34 2010 No.1 韩新红 华云松 尚 亮/基于PWM的直流电机闭环调速系统的设计 

是续流二极管由于电路中导线引起寄生电容，D3的作用就 系统测量得到的速度数据以Excel文件格式每秒10次 是在Q4不工作时，将寄生电容储存的能量释放出去由此也 的形式储存在计算机中，图5给出部分数据和速度曲线，从 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 中可以看出在稳定运行状态下，突加负载后，转速很快降落 的容性，只是在给出的图示中没用表示出来。脉冲出现高电 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 势时Q4导通Q1的G为高电平，Q1导通，电路开始工作，反之 比较理想。 专业论坛 Specialized forum 电路工作。 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 图5 速度采样数据和曲线 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。 五、结论 由于采用场效应管做功率开关器件，开关频率一般取 本文设计的直流电机调速系统结构简单，在单片机的 1-2hz，可选定时器T1来定时，定频调宽的时间t1，（T—t1） 控制下，参数调整简便，操作简单，可控性强，经调试证明， 用选定时器T0来定时，定时器T1的中断服务程序主要完成 电机运行稳定，调节速度快，具有很大的应用价值。 速度和电流的控制，速度环中断服务程序实现速度的PI调 节，产生电流给定信号；电流中断服务程序实现电流的PID 参考文献 调节，产生定时器的定时时间常数，输出的脉冲信号经分频 【1】曲学基、曲敬铠、于明扬：《电力电子整流技术及 和运放调理后成适合驱动功率场效应管的PWM的信号。 应用》，电子工业出版社 2008 【2】陈世元：《电机学》，中国电力出版社 2008 【3】巫传专、王晓雷：《控制电机及应用》，电子工业 出版社 2008 【4】杨刚、陈鸣. 多通道在线电机温升测试和分析系 统设计（3），电机与控制应用，2008，35（10）：47-50 作者简介 韩新红 (1983-)，男，河南开封人，硕士研究生，研究方 向为测试计量及仪器。 图4 PWM产生中断程序 韩新红 华云松 尚 亮/基于PWM的直流电机闭环调速系统的设计 2010 No.1 35