基于51单片机的直流电机调速的方法

基于基于 5151 单片机的直流电机调速的方法单片机的直流电机调速的方法 田云 史洁 黑龙江农业经济职业学院机电工程系 0 引言引言 许多单片机爱好者 在设计一些单片机控制系统的时候 都会采用小型直流电动机来制作各种各样 的电子设备 因为直流电机调速范围广 易于平滑调速 启动 制动和过载转矩大 易于控制 可靠性 较高 对于直流电机的控制 无非是控制其转向 以及速度 转向的控制方法比较简单 只要改变电机 的通电极性就可改变其旋转方向 在这里 我们重点讨论如何对其速度上的控制 对其调速可以采用多 种办法 对于直流电机转速的调节 最常用的办法是通过改变电枢端的电压来实现 传统的思路是通过 调节电枢电路电阻 R 的阻值来改变端电压 以达到调速的目的 但由于接入的电阻消耗了部分电压 因 此这种传统的调速方法效率很低 随着电力电子技术的发展 出现了许多新的电枢电压控制方法 其中 PWM Pulse Width Modulation 控制是常用的一种调速方法 PWM 控制是指在保持周期丁不变的情况下 通过调节开关导通的时间对脉冲宽度进行调制 从而达到调节电机转速的目的 在脉宽调速系统中 电 机电枢两端的电压是脉宽可调的脉冲电压 在输出脉冲频率足够快的情况下 由于惯性的存在 只要按 照一定的规律改变通 断电的时间 即可使电机的速度达到并保持一个稳定值 对于直流电机 采用 PWM 控制技术构成的无级调速系统 启停时对直流系统无冲击 并且具有启动功耗小 运行稳定的特点 本 文在给出直流电机调速和 PWM 实现方法的基础上 提供一种用 51 单片机软件实现 PWM 调速的方法 1 PWM 基本原理基本原理 PWM 是通过控制固定电压的直流电源开关频率 从而改变负载两端的电压 进而达到控制要求的一 种电压调整方法 PWM 可以应用在许多方面 如电机调速 温度控制 压力控制等 在 PWM 驱动控制 的调整系统中 按一个固定的频率来接通和断开电源 并根据需要改变一个周期内 接通 和 断开 时间的长短 通过改变直流电机电枢上电压的 占空比 来改变平均电压的大小 从而控制电动机的转 速 因此 PWM 又被称为 开关驱动装置 如图 1 所示 在脉冲作用下 当电机通电时 速度增加 电机断电时 速度逐渐减少 只要按一定规律 改变通 断电的时间 即可让电机转速得到控制 T t1t2 最大值 Vmax 平均值 Vd 图 1 PWM 控制原理 设电机始终接通电源时 电机转速最大为 占空比为 则电机的平均速 Vmax tt t TtD 21 1 1 度为 DVVd max 最小值 Vmin 式中 电机的平均速度 Vd 电机全通电时的速度 最大 Vmax 占空比 tt t TtD 21 1 1 由公式 2 可见 当我们改变占空比时 就可以得到不同的电机平均速度 tt t TtD 21 1 1 Vd 从而达到调速的目的 严格地讲 平均速度与占空比并不是严格的线性关系 Vd tt t TtD 21 1 1 在一般的应用中 可以将其近似地看成线性关系 一般可以采用定宽调频 调宽调频 定频调宽三种方 法改变占空比的值 但是前两种方法在调速时改变了控制脉宽的周期 当控制脉冲的频率与系统的固有 频率接近时将会引起振荡 因此常采用定频调宽法改变占空比的值 从而改变直流电动机电枢两端电压 定频调宽法的频率一般在 800HZ 1000HZ之间比较合适 2 实现方法实现方法 PWM 信号的产生通常有两种方法 一种是软件的方法 另一种是硬件的方法 硬件方法的实现已有很 多文章介绍 这里不做赘述 本文主要介绍采用定频调宽法来利用 51 单片机产生 PWM 信号的软件实现方 法 MCS 51 系列典型产品 805l 具有两个定时器 T0 和 T1 通过控制定时器初值 从而可以实现从 8051 的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形 由于 PWM 信号软件实现的核心是单片机内部的定时器 而不 同单片机的定时器具有不同的特点 即使是同一台单片机由于选用的晶振不同 选择的定时器工作方式 不同 其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同 因此 首先必须明确定时器的定时初值与定时时 间的关系 如果单片机的时钟频率为 f 定时器 计数器为 n 位 则定时器初值与定时时间的关系为 f N n n t 0 1 2 式中 表示定时时间 1 t 表示定时器的位数 n 表示定时器的计数初值 0 n 表示单片机一个机器周期需要时钟数 8051 需要 12 个时钟 N 表示单片机晶振频率 f 随着机型的不同而不同 在应用中 应根据具体的机型给出相应的值 这样 我们可以通过设定N 不同的定时初值 从而改变占空比 D 进而达到控制电机转速的目的 1 t 根据占空比 我们需要用到两个定时器 一个用来控制高电平时间 另外一 tt t TtD 21 1 1 个控制低电平时间 但这样的话比较浪费单片机定时器资源 为此我们这里价绍一种可以利用一个定时 器来分别控制高电平和低电平持续的时间来调整占空比 D 详情见下面的利用 51 单片机的 P1 0 端口输出 PWM 波形的流程图 初始化定时器 T0 等中断 Y 中断程序 判断 P1 0 高 赋高电平控制初值 置 P1 0 为高电平 赋低电平控制初值 置 P1 0 为低电平 N Y N 返回断点 图 2 P1 0 端口输出 PWM 波形流程图 3 具体实例具体实例 下面我们有主频为 12MHZ 的 51 单片机的方式 1 产生一个占空比为 1 4 的 PWM 信号 这里面采用定频调宽法 采用 PWM 信号频率为 1000HZ 周期为 1 毫秒 占空比为 1 4 可以得知高 电平持续的时间为 250 微秒 低电平持续的时间为 750 微秒 单片机的时钟频率为 12MHZ 根据上面初值 计算公式 可以得到高电平控制初值和低电平控制初值 通过分析编写程序如下 include sbit p1 0 P1 0 void main TMOD 0 x01 计时器 T0 方式 1 TH0 65536 750 256 赋计时器初值高位 TL0 65536 750 256 赋计时器初值低位 EA 1 开总中断 ET0 1 开计时器 T0 中断 TR0 1 启动计时器 T0 p1 0 0 置 P1 0 为低 while 1 等计时器 T0 中断 void timer0 interrupt 1 if p1 0 1 TH0 65536 750 256 赋低电平控制计时器初值高位 TL0 65536 750 256 赋低电平控制计时器初值低位 p1 0 0 else TH0 65536 250 256 赋高电平控制计时器初值高位 TL0 65536 250 256 赋高电平控制计时器初值低位 p1 0 1 4 结束语结束语 通过对以上的 1 4 占空比 PWM 信号产生实例进行分析 便可以得到任意的占空比的 PWM 信号 只需 对计时器的初值进行调整 这里对初值可以采取使用变量的形式 那么得到的占空比信号就更加的灵活 多样 另外也可以结合外部按键实现可控占空比的 PWM 信号 并可以将占空比由数码管或液晶显示器显 示出来 更多更大的功能交给同学们来完成吧 通过单片机来实现电机调整有多种途径 相对于其他用硬件或者硬软结合的方法实现对电机进行调 整 采用 PWM 用纯软件的方法来实现调速过程 具有更大的灵活性和更低的成本 能够充分发挥单片机 的效能 对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径 由于单片机的