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51單片機通過脈寬調制PWM來控制電動機實現調速的設計
2022-06-20

直流電動機轉速N的表達式為：N=U-IR/Kφ 由上式可得，直流電動機的轉速控制方法可分為兩類：調節(jié)勵磁磁通的勵磁控制方法和調節(jié)電樞電壓的電樞控制方法。其中勵磁控制方法在低速時受磁極飽和的限制，在高速時受換向火花和換向器結構強度的限制，并且勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差，所以這種控制方法用得很少?，F在，大多數應用場合都使用電樞控制方法。 對電動機的驅動離不開半導體功率器件。在對直流電動機電樞電壓的控制和驅動中，對半導體器件的使用上又可分為兩種方式：線性放大驅動方式和開關驅動方式。 線性放大驅動方式是使半導體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu)點是：控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近電路干擾??；但是功率器件在線性區(qū)工作時由于產生熱量會消耗大部分電功率，效率和散熱問題嚴重，因此這種方式只用于微小功率直流電動機的驅動。絕大多數直流電動機采用開關驅動方式。開關驅動方式是使半導體器件工作在開關狀態(tài)，通過脈寬調制PWM來控制電動機電樞電壓，實現調速。 ? 在PWM調速時，占空比α是一個重要參數。以下3種方法都可以改變占空比的值。 （1）定寬調頻法 這種方法是保持t1不變，只改變t2，這樣使周期T（或頻率）也隨之改變。 （2）調頻調寬法 這種方法是保持t2不變，只改變t1，這樣使周期T（或頻率）也隨之改變。 （3）定頻調寬法 這種方法是使周期T（或頻率）保持不變，而同時改變t1和t2。 前兩種方法由于在調速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此這兩種方法用得很少。目前，在直流電動機的控制中，主要使用定頻調寬法。 直流電動機雙極性驅動可逆PWM控制系統(tǒng) 雙極性驅動則是指在一個PWM周期里，作為在電樞兩端的脈沖電壓是正負交替的。 雙極性驅動電路有兩種，一種稱為T型，它由兩個開關管組成，采用正負電源，相當于兩個不可逆控制系統(tǒng)的組合。但由于T型雙極性驅動中的開關管要承受較高的反向電壓，因此只用在低壓小功率直流電動機驅動。 另一種稱為H型。 H型雙極性驅動 1． 電動機控制電路模塊 H橋電動機驅動電路的工作原理： A：當單片機的P0.0腳輸出高電平，而P0.1腳輸出低電平時，通過光電耦合器后仍然輸出為高電平，使Q4管導通，此時Q1也處于導通狀態(tài)，但Q2管的基極的電位被強行拉低，Q2管處于截止狀態(tài)。由于單片機的P0.1腳輸出低電平， Q8處于截止狀態(tài)，而此時Q7因為Q5的截止而處于導通狀態(tài)，從而使電動機形成回路，電機正常工作。 B：同理可得，當P0.0腳輸出低電平，而P0.1腳輸出高電平時，三極管的狀態(tài)與上述相反，電機同樣處于正常工作狀態(tài)。 C：當P0.0腳和P0.1同時為高電平或低電平，由于Q4與Q8和Q3與Q7的工作狀態(tài)相同，同時處于導通或截止，使電機兩斷電位相同，無法使電機形成閉和回路，電機不工作，著就是所謂本設計所提及的剎車狀態(tài)。 由于電路中在驅動功率管的發(fā)射極各添加了一個小電感，目的是為了使電機驅動電壓更加穩(wěn)定，得到較為平滑的驅動電壓，從而增加了剎車時動作的準確性，減少電機的在起動和停止的瞬間產生過大的電壓對功率管的沖擊，導致功率管的損壞。同時也提高了電機的剎車控制可靠性和準確性，不至于因慣性而導致控制上產生較大的誤差。 該橋的優(yōu)點是電路的原理簡單、易控制、功耗低帶負載能力強、剎車的精度很高而且價格低廉。在驅動電路的控制信號輸入斷采用了光電隔離技術，減小H橋電機驅動電路對單片機的干擾，實現模擬電路與數字電路的隔離。在單片機的配合下，通過PWM調節(jié)脈寬的方法，實現了對驅動電機的輕松調速，通過鍵盤的配置可以對體的參數進行修改，可以使電機適應各種不同的工作狀態(tài)，而實現智能控制的目的。正因為采取了PWM該技術，使我們完成基本要求的過程變得簡單易行。 在電路中所采取的功率管為中功率管，其中將驅動功率管設計為靈活替換方式，可以根據實際驅動電路的需要，從而調整功率管的型號而不用另行更改電路，就可以滿足電路控制的要求 2、軟件模塊部分 在速度控制方面，一般是能通過改變加在電機兩端的電壓來實現的，可以是連續(xù)改變（加直流電壓），也可以是斷續(xù)改變（加脈沖電壓）。為了簡單用，我們采用了脈寬調速，脈寬的變化可以通過硬件或軟件來實現。 方案一 硬件實現是通過改變振蕩電路中RC參數來調整充放電時間。若用硬件電路來實現，在穩(wěn)定性方面得不到保證。 方案三 用軟件的作法是通過設置高電平及低電平的保持時間來達到PWM的脈寬調制目的。 就比較而言，軟件調整量化指標更高、調整更可靠、更方便、更準確。因此在設計時，常考慮方案二。 脈沖頻率對電機轉機也有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶負載能力差，頻率低則反之。經實驗發(fā)現，脈沖頻率在15━20HZ效果最佳。在本設計中采用了20HZ進行設計。 脈沖調速實質上是調節(jié)加在電機兩端的平均功率，通過計算可發(fā)現電機的速度與脈寬成正比。 軟件編程的考慮是設置脈寬這個變量。在P0.0，P0.1的輸出控制信號來產生20HZ可調脈寬方波。 下面是51單片機的實驗程序 #include 《 reg51.h 》 #include 《 intrins.h 》 sbit K1 =P1^4 ; //增加鍵 sbit K2 =P1^5 ; //減少鍵 sbit P00 =P0^1; sbit BEEP =P3^7 ; //蜂鳴器 unsigned char PWM=0xe7; //賦初值 void Beep（）; void delayms（unsigned char ms）; void delay（unsigned char t）; /*********************************************************/ void main（） { P1=0xff; TMOD=0x21 ; TH0=0xff ; //50us延時常數 TL0=0xce ; //頻率調節(jié) TH1=PWM ; //脈寬調節(jié) TL1=0 ; EA=1; ET0=1; ET1=1; TR0=1 ; while（1） { do{ if（PWM！=0xff） {PWM++ ;delayms（10）;} else Beep（） ; } while（K1==0）; do{ if（PWM！=0xce） {PWM-- ;delayms（10）;} else Beep（） ; } while（K2==0）; } } void TImer0（） interrupt 1 { TR1=0 ; TH0=0xff ; TL0=0xce ; TH1=PWM ; TR1=1 ; P00=0 ; //啟動輸出 } void TImer1（） interrupt 3 { TR1=0 ; P00=1 ; //結束輸出 } /*********************************************************/ //蜂鳴器子程序 /*********************************************************/ void Beep（） { unsigned char i ; for （i=0 ;i《100 ;i++） { delay（100） ; BEEP=！BEEP ; //Beep取反 } BEEP=1 ; //關閉蜂鳴器 delayms（100）; } /*********************************************************/ // 延時子程序 /*********************************************************/ void delay（unsigned char t） { while（t--） ; } /*********************************************************/ // 延時子程序 /*********************************************************/ void delayms（unsigned char ms） { unsigned char i ; while（ms--） { for（i = 0 ; i 《 120 ; i++） ; } } 來源；21ic

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