直流电机PWM闭环调速系统
第 15 卷第 1 期 青 岛 大 学 学 报 VOL. 15 NO. 1
2000 年 3 月 JOURNAL OF QINGDAO UN IVERSITY M ar. 2000
文章编号: 100629798(2000) 0120010203
收稿日期: 1999211229
第一作者简介: 邱丹, 女, 1975 年生, 1997 年毕业于青岛大学机电一体化专业。现在青岛大学机电学院实验室工作。
直流电机 PWM 闭环调速系统
邱 丹, 王 东, 高振东
(青岛大学机电工程学院, 青岛 266071)
摘要: 推出一种使用单片机的 PWM 直流电机闭环调速系统。本系统结构简单, 价格低廉, 在实际应用中效果
良好。
关键词: PWM ; 单片机; 速度闭环控制
中图分类号: TP273 文献标识码: A
采用硬件电路实现直流电机闭环调速系统已在
实践中应用多年, 其硬件组成复杂, 调整困难, 缺乏
控制的灵活性。本文介绍的直流电机 PWM 闭环调
速系统, 使用低价位的单片微机 89C2051 为核心,
实现闭环控制, 并可进行数字显示和速度预置, 方便
了使用。电机调速采用脉宽调制方式, 与晶闸管调速
相比技术先进, 可减少对电源的污染。本系统已用于
健身跑步机调速, 工作可靠, 使用效果良好。图 1 是
本系统的线路图, 主要有 PWM 信号发生、闭环调速
微机控制、直流电机驱动等几部分组成。
1 PWM 信号发生电路
PWM 波可由具有 PWM 输出的单片机 (如
80C198 等) 通过编程产生, 也可采用 PWM 专用芯
片来实现。PWM 波的频率太高时, 对直流电机驱动
的功率管要求太高, 太低时产生电磁噪声较大。实践
应用中 PWM 波的频率在 18kHz 左右效果最好。经
综合分析, 本系统采用两片 4 位数值比较器 4585 和
一片 12 位串行计数器 4040 组成了 PWM 信号发生
电路。两片比较器U 3、U 2 的A 组接 4040 计数输出
Q 2～Q 9 端,B 组接单片微机的 P1 端口。改变 P1 端
口的输出值, 可使 PWM 信号的占空比产生变化, 进
行调速控制。计数器 4040 的计数输入端 CL K 接单
片机 2051 晶振的振荡输出 XTAL 2。 晶振选用
18M Hz 时, 经 Q 0～ Q 2 的 8 分频, Q 2～ Q 9 的 256
分频, 产生的 PWM 波形的频率为 1716kHz, 适合光
耦及功率开关管的合理工作范围[1 ]。
计数器 4040 每来 8 个脉冲, 其输出Q 2～Q 9 加
1, 当计数值小于或等于单片机 P1 端口输出值 X
时,U 2 的(A > B) 输出端保持为低电平, 当计数值大
于X 时U 2 的(A > B) 输出端为高电平。随着计数值
的增加,Q 2～ Q 9 由全“1”变为全“0”时, (A > B ) 输
出端又变为低电平, 这样, 在U 2 的 (A > B ) 端得到
PWM 的信号, 其占空比为(2552X?255) ×100% , 改
变 X 值可改变 PWM 信号的占空比, 进行直流电机
的转速控制。使用此方法单片机只需根据调整量输
出 X 值, PWM 信号由三片通用数字电路生成, 使软
件大大简化, 有利于单片机系统正常工作。由于单片
机上电复位时 P1 端口输出全“1”, 使用 4585 的 B
组与 P1 端口相连, 升速时 P0 端口输出 X 按一定规
律减少, 降速时按一定规律增大。
2 单片微机闭环速度控制电路
本 系 统 的 闭 环 控 制 选 用 低 价 位 的 单 片 机
89C2051, 与带 PWM 输出的 80C552 及 80C198 相
比, 无需外扩 EPROM , 且价格低的多。2051 单片机
片内有 2K 的 flash 程序存储器, 15 个 I?O 口, 两路
16 位的定时?计数器, 指令及中断系统与 8031 兼
容, 给闭环速度控制带来很大的灵活性[2 ]。
闭环速度控制中传感器选用霍尔传感器, 小磁
钢固定在被测转轴上, 每转一周输出一个脉冲信号。
转速脉冲信号经施密特触发器U 621,U 622 整形后,
输入到 2051 单片机的 IN T 0 中断口 P312 端口上。
软件设置 IN T 0 为下降沿中断, 进入中断服务程序
后开启定时?计数器 0 进行定时, 测出每转的周期,
再由软件计算出控制值X, 由 P1 端口输出 PWM 波
占空比的控制数。软件中还可进行显示线速度或角
速度的转换计算, 由八位驱码驱动器带动L ED 数码
管进行显示。 预置速度由按键 S1、S2 输入, 进行
“+ ”“- ”控制, 预置数也由L ED 数码管显示。
图 1 直流电机 PWM 闭环调速系统原理图
显示使用了高集成度的M AX7219 串行 L ED 显示驱动器, 带动八位L ED 数码管进行显示, 前四
11第 1 期 邱 丹等: 直流电机 PWM 闭环调速系统
位 显 示 当 前 运 行 速 度, 后 四 位 显 示 预 置 速 度。
M AX7219 是 24 脚窄封装芯片, 串行口工作频率最
高 10M Hz, 八位L ED 显示, 通过对译码模式寄存编
程, 可控制各位显示方式 (BCD 码或非译码) , 显示
是片内动态扫描模式, 通过一个电阻和编程可控制
亮度, 并可多个芯片串联显示多达 64 位共阴极
L ED 数码管。M AX7219 的数据输入端D IN、时钟端
CL K、数据锁定端 L 分别与 2051 单片机的 P310、
P311、P315 端口相接。改变电阻 R 6 的阻值可调整
显 示 亮 度, R 6 取 值 在 319～ 10k8 之 间。 使 用
M AX7219 不仅可减少硬件电路, 由于是片内动态
扫描显示, 并可降低功耗和简化软件设计。
2051 单片微机的上电复位使用了M AX812 电
压监控器, 上电时约有 200 m s 的延迟, 以保证复位
正常进行。为了防止掉电后预置数丢失, 使用了使用
备用电池保护 2051 单片机片内RAM 数值。电源经
变压整流后, 一路经DC2AC 开关电源输出 5 V 直
流电压给单片机系统供电, 一路经三端稳压元件
7812 稳压输出 12 V 电压供驱动大功率开关管使
用。单片机系统电源与驱动电路部分电源隔离, 以提
高系统工作的可靠性和安全性。
3 直流电机驱动系统电路
U 2 生成的 PWM 信号经施密特反相器U 623
驱动光电耦合器 01, 送至直流电机驱动电路。大功
率开关管选用N 沟道VM O S 功率场效应管, 它为
压控元件, 具有很高的输入阻抗, 因而驱动功率很
小, 对驱动电路要求也较低。经光电耦合器传送的
PWM 信号, 经并联使用的六施密特反相器, 接到
VM O S 功率管 Y1 的栅极上, 直接驱动即可。稳压管
D 4 和电阻R 8 起保护作用。VM O S 功率管的源极接
直流电机绕组, 经感抗器接电机直流电源负端。漏极
接电机直流电源正端。快速关断二极管D 3 起保护
作用, 消除VM O S 功率管开关过程由电机绕组产生
的感生电势。电源是交流电压经 C7、ZL、C8 组成的
滤波器后, 由高压桥整流器件 Z2 整流, 高压电解电
容滤波后供VM O S 功率管。VM O S 功率管, 快速关
断二极管及高压电解电容器及整流桥等根据选用直
流电机的电压、功率等要求确定相应型号和参数[3 ]。
4 结束语
本文所述的直流电机闭环调速系统以低价位单
片微机 89C2051 为核心, PWM 波的生成使用三片
通用数字电路, 显示使用了高集成度的八位L ED 串
行译码驱动器M AX7219, 电机驱动使用VM O S 场
效应管, 反馈信号使用霍尔传感元件, 系统设计合
理。使用单片机定时器对传动轴的周期进行检测, 可
由软件计算出相应的线速度或角转速进行显示, 并
可进行速度定量预置。软件中可用 PLD 算法或查表
的方法确定闭环控制的补偿量。这些是由数字线路
组成的直流电机闭环调速系统所不及的。以前也曾
试过使用单片机的定时?计数器直接生成 PWM 波,
这样使软件频繁工作在中断服务程度中, 整体效果
不太好。使用少量硬件后单片机仅输出 X 值, 使软
件工作量大大减少, 程序中有充足时间进行闭环控
制的测控和计算, 使程序设计和软件运行合理可靠。
[ 参 考 文 献 ]
[ 1 ] 高振东. 基于单片机低价位直流电机 PWM 系统的设
计[J ]. 东南大学学报, 1998, 3
[2 ] A TM EL CO. PRODU CT GU IDE2A T 89C2051. 1997
[ 3 ] 王志良. 电力电子器件及其应用技术[M ]. 北京: 国防
工业出版社, 1995
VELOC ITY -LOOP SPEED GOVER ING SYSTEM OF DC MOTOR
Q IU D an, WAN G Dong, GAO Zhen2dong
(Co llege of M echanical and Electrical Engineering, Q ingdao U niversity, Q ingdao 266071)
Abstract: A velocity2loop speed govering system of DC mo to r is introduced. The system ' s structure is
simp le and co st is low. In p ractices, it has aquired a good result.
Key words: PWM ; single2chip m icrop rocesso r; velocity clo se2loop contro l
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