基于P87LPC768的小功率直流电动机调速系统
基于P87LPC768的小功率直流电动机调速系统
许忠燕，简毅，任海洋
(重庆大学机械工程学院，重庆400044)
The Timing System of Low——power DC Electromotor Based on P87LPC768
XU Zhong—yan。JIAN Yi·REN tlai—yang
(College of Mechanical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China)
摘要：采用Philips公司的51LPC系列单片机
P87LPC768，设计了一个小功率直流电动机的
PWM调速系统，详细地说明了调速系统各功能模
决实现的方法，及系统软件的程序流程图。实践表
明，系统精度高，稳定性好且工作可靠。
关键词：P87LPC768；直流电动机；PWM；调速
中图分类号：TM33
文献标识码：A
文章编号：1001—2257(2009)07—0046—03
Abstraet：This paper elaborates the software
and hardware of the timing system of low——power
DC electromotor．which uses P87LPC768 as its
control core．The system has both high precision
and good stability．
Key words：P87LPC768；DC electromotor；
PWM：timing
O 引言
与交流电动机相比，直流电动机结构复杂，成本
高，运行维护困难；但是直流电动机具有良好的起动
性能，且能在较宽的范围内平滑而经济地调速，过载
能力较强，制动转矩较大，直流电动机在起动和调速
要求较高的生产机械上得到广泛应用。随着单片机
技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采
用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更
大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。PWM
(脉宽调制)直流调速系统很容易在单片机控制系统
中实现，因此具有良好的发展前景。采用单片机构
成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从
而有效地提高工作效率[1_‘]。
收稿日期。2009一03一04
·46·
1 PWM直流调速原理
PWM直流调速，实际上是利用晶体管的开关
工作特性，调制恒定电压的直流源，按一个固定的频
率来接通与断开放大器，并根据外加控制信号来改
变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，使加在
电动机电枢的“占空比”改变，即改变电枢两端平均
电压大小，从而达到控制电动机转速的目的。
因此，PWM技术的关键是要产生PWM信号，
通常PWM控制信号的产生有以下4种方法：
a．分立电子元件组成的PWM信号发生器。这
种方法是利用分离的逻辑电子元件组成PWM信号
电路。但是它的电路复杂，可靠性差。
b．软件模拟法。利用单片机的一个I／O引脚
输出高低电平来实现PWM波。这种方法要占用
CPU大量资源，使得单片机的工作效率大为降低。
c．用PWM集成电路。现在市场上己有许多种
专用的PWM集成电路芯片。这些芯片除了有
PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护
功能等。用单片机控制直流电动机中，使用专用
PWM集成电路可以减轻单片机负担，工作更加可
靠，但会增加调速系统的成本开销。
d．单片机自带的PWM口。新一代的单片机增
加了许多功能，其中包括PWM功能。通过单片机
的初始化设置，使其自动产生占空比可变的PWM
脉冲波，该方法控制直流电动机转速简单、可靠[5]。
本方案采用单片机的PWM口产生控制信号的
方法控制电压。
2单片机的选择
经过分析比较，选用Philips半导体公司推出的
51LPC系列单片机P87LPC768，它与MCS一51系
列单片机兼容，增加12C总线、模拟比较器、8位A／
《机械与电子}2009(7)
万方数据
D转换及4通道PWM等功能；片内集成电源监控
电路和看门狗定时器，不必外接电源监控电路；单片
机本身的电磁兼容特性很好，并且继承了Philips半
导体的低功耗特性及不可破译性[6]。
本方案主要用P87LPC768的一路PWM输出，
PWM输出模块主要由一个10位的输出频率相关
寄存器CNSW及一个10位的脉冲宽度寄存器
CPSW组成。根据需要设置CNSW的值，可得到
PWM的输出频率：
而M=^／(CPSW+1)
设置CPSW的值，可得到PWM的脉冲宽度。
对运行的电机而言，各种不同的CPSw值就是各种
不等的电压[1]。
3 系统总体方案及硬件实现
调速系统的原理框图如图1所示。
5 一??憎羹 Tl
PWM0 ——叫功率驱动电路卜——_J
蚕 P87LPC76B
图1调速系统原理框图
3．1 单片机
选用P87LPC768，为了降低成本，提高可靠性，
尽量少用外围器件，又由于单片机只有20个引脚，
I／O口线比较紧张，因此采用了片内振荡和内部复
位，使其对应的3条引脚可作为I／O口线使用。单
片机的PWM0(P0．1)口作为PWM输出口。
3．2转速检测电路
选择光电传感器测速电路。即在电机轴上带一
个圆盘，沿圆盘周边均匀开一圈小孔，光源与光电传
感器固定不动，圆盘处于其间。当电机带动圆盘转
动时，光线交替地通过小孔照到光敏元件上，交替地
出现亮电流和暗电流，经整形可得一串相同频率的
脉冲，脉冲频率，与圆盘的小孔数目N、电机转速扎
有关。因此可通过测量方波的频率，或周期T，测
得转速的大小。直流电机转速计算公式为：
60×M咒2丽
式中M——所测得的脉冲数
N——圆盘的小孔数目
T——测脉冲数的M的时间
《机械与电子19009(7)
圆盘上均匀分布有60个通光的孔，将脉冲信号
送至计数器T1，在本方案中每1 s读一次T1值，所
以，T1的计数值即为电动机的转速，单位r／rain。
3．3功率驱动电路
对于中小功率的电动机通常采用功率场效应管
(MOSFET)作为主开关元件，MOSFET是一种多
电子导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快、
高频特性好、热稳定性优良、驱动电路简单、驱动功
率小、安全工作区宽及无二次击穿问题等显著优点。
电路中驱动采用的是IR2103芯片。IR2103芯
片是IR公司专为驱动功率开关管而设计的，是一
种高电压高速的功率MOSFET和IGBT驱动器，
它有2个独立的高端和低端输出通道，一个芯片可
以驱动2个MOSFET管或IGBT管。输出的浮置
通道可用来驱动高端接于600 V(最大)的N沟道电
力MOSFET或IGBT。
在电路中选用高速光耦6N136芯片，光耦部分
起到隔离和电平转换的作用。6N136的绝缘电压是
2 500 V(最小值)，具有可兼容的TTL电路，逻辑低
电平和逻辑高电平的传输延迟时间都是0．5 tLs(带
宽2 MHz)，供电电压是一O．5～15 V，其耐压和速度
都符合电路的要求。
3．4数码管显示电路
数码管显示电路设计5位数码管来显示转速，
采用动态显示方式，所以需占用12条I／O口线。其
中P1．0～P1．6口作为字符段码输出口，Po．2～
P0．6口作为位选输出口，LED采用共阴极接法[7]。
4系统软件设计
调速系统软件设计的思路：由光电传感器及外
围器件组成的转速检测电路将电动机转速转换成脉
冲信号，送至单片机的计数器T1，由T1测出电动
机的实际转速，并与设定转速范围进行比较。根据
比较结果，调节pWM的脉冲宽度使电机驱动电路
的输出控制电压增大或减小，来调整电机的转速。
调速系统软件主要由主程序、TO中断服务程
序、数据处理程序、调速子程序和显示子程序等部分
组成。主程序控制整个程序的流程[8]。初始化包括
栈指针初始化，PWM控制字初始化；设定转速上、
下限值；用于显示的PO，P1端口初始化配置等。主
程序流程如图2所示。
·47。
万方数据
Tl外部计数方式
设置软件计数单元
二二二][二==
允许T0中断
启动TO，T1
调显示子程序k锊
F0清零
调数据处理程序
图2主程序流程
TO为定时中断，T1为计数器，TO定时100
ms，软件计数lo次，这样，每1 s读一次T1值，此值
即为实际速度。TO中断服务程序流程如图3所示。n闻
重赋TO计数初值
<辜≥一
重赋软件计数值
TO中断，关Tl
置计时标志位
返回
图3 TO中断服务流程
数据处理程序流程如图4所示。读取T1值，
即实际转速，存入34H，35H，并将十六进制数转化
为压缩BCD码，以便显示，调调速子程序，实现对直
流电动机转速的控制。
图4数据处理程序流程
在调速子程序中，将测出的实际转速与设定上
下限值比较，根据比较结果，调整PWM的脉冲宽
度。当实际转速在设定转速范围内时，不用调整
·48·
PWM的脉冲宽度；当实际转速小于下限值，则增大
PWM脉冲宽度；当实际转速大于上限值，则减小
PWM的脉冲宽度。调整PWM的脉冲宽度是通过
改变比较寄存器CPSW的设置值实现的。同时当
实际转速与设定值相差较大时，每次(即每秒)调整
PWM的脉冲宽度时的值也应大些；当实际转速与
设定值相差较小时，每次调整PWM的脉冲宽度时
的值也应小些。
5 结束语
P87LPC768自带PWM输出口，节省了CPU
的资源，提高了CPU的处理速度，简化了控制单元
的电路，提高了系统的性价比，而且可以方便地根
据实际工作需要，修改相应的软件，进行系统功能
的扩展，使调速系统具有较为广阔的应用领域。实
验表明PWM直流调速系统响应速度快，振动低、转
矩脉动小，对电机感性负载产生的反电动势产生的
续电流有很好平衡能力。本文只用了一路PWM输
出，读者可以根据自己需求，采用多路PWM输出，
来满足复杂系统的需要。同时本方案还有待改进和
完善，下一步开发应加设更多的检测电路，以便检测
除转速以外的其它重要参数，并加设键盘，以方便控
制各检测部分，且可以增加显示范围。
参考文献：
[1]包松．鲍可进，余景华．基于单片机PID算法的直流
电机测控系统[J]．微机发展，2003，13(8)：72—74．
[2]史万周．直流调速回顾[J]．煤矿自动化，1993，(3)：42
—45．
[32壬晓明．电动机的单片机控制[M]．北京z北京航空航
天大学出版社，2003．
[4]王银铃．数字控制直流调速单元的研制[D]．西安：西
安石油大学，2005．
Is]浦龙梅，杨增强．单片机控制的PWM调速装置的研究
口]．电子技术，2006，(2)：37—39．
[6]周航慈，周立功．PHILIPS 51LPC系列单片机原理及
应用设计[M]．北京：北京航空航天大学出版杜，2001．
[7] 曹琳琳，曹巧嫒．单片机原理及接1：3技术[M]．长沙：国
防科技大学出版社，2000．
[8]林桂花。李戈文．直流电动机PWM调速的软件实现
[J]．仪器仪表用户，2005，12(4)：80一81．
作者简介。许忠燕(1985--)，女，重庆万州人，硕士研究生，
研究方向为机电一体化．
《机械与电子}2009(7)
鬻
万方数据
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