直流电机PWM控制方案的单片机实现

1、2011.3 大 电 机 技 术 61 直流电机 PWM 控制方案的单片机实现 李向军 1，周广滨 2 （1. 大连海洋大学 信息工程学院，大连 116023，2. 辽宁电力勘测设计院，沈阳 110005） 摘 要 为了解决瓦楞纸生产线的多台电机的控制问题， 本文设计了 PC 机与单片机相结合的上位机及下位 机自动控制系统。研究了利用新型的 C8051 单片机实现直流电机 PWM 控制的方案。该方案利用 C8051 中的 PCA 阵列来产生 PWM 波形，避免了采用软件延时法占用 CPU 资源的弊端。为了防止电机的上下桥臂直通， 采用受限单极性可逆 PWM 驱动电路。控制器采用 PID 算法，

2、实践证明该系统响应速度快，稳定性好，有较 好的实用价值。 关键词 直流电机；C8051 单片机；PWM 控制 文献标识码 A 文章编号 1000-3983(201103-0061-04 中图分类号 TM33, TP273 Realization of PWM Control Method for DC Motor on Microcontroller LI Xiang-jun1, Zhou Guang-bin2 ( 1. School of Information Eng., Dalian Ocean University, Dalian 116023, China; 2. Liaoning

3、Power Survey and Design Institute, Shenyang 110005 Abstract: In order to solve the multi-motor control problem for the corrugated paper line, an automatic control system in which PC is used as upper computer and microcontrollers are used as lower computers was designed. The realization of PWM contro

4、l method for DC motor was studied using a new type of microcontroller C8051. The PCA array of C8051 was utilized to produce PWM wave in this method, it avoided the disadvantages of occupying CPU resources when software delay method is utilized. In order to prevent the short circuit of upper and lowe

5、r bridge arm, a limited uni-polarity reversible PWM driving circuit was utilized. The PID algorithm was used in the controller. The practice showed that the system has a fast response, good stability and practical value. Keyword: DC motor; C8051MUC; PWM control 1 引言 目前，自动控制系统已经在各行各业中得到了广 泛的应用和发展，而直流

6、驱动控制作为电气传动的主 流在现代化生产中起着主要作用。随着伺服电动机技 术、电力电子技术、计算机控制技术的发展，使得伺 服控制系统朝着控制电路数字化和功率器件的模块化 的方向发展。 瓦楞纸生产线由 8 个电机组成， 其功能分别如下： 主电机 D1：用于提供主机运动动力。 两个调节电机 D2，D3： 当检测到产品出现错峰状 态后，通过电机正反向微动调节，保持产品对峰状态。 小传送带电机 D4：始终让瓦楞纸保持拉紧状态， 并实现两单面纸的初步粘合。 基金项目：教育部留学回国人员科研启动基金资助项目（教外 司留20098 号） 大传送带电机 D5：使瓦楞纸最终粘合定型的传送 带驱动。 吸风机电机

7、D6：驱动吸风机并在中间瓦楞纸辊上 形成负气压，使瓦楞的芯纸课靠附着在瓦楞辊槽内。 送风机电机 D7：驱动吸风机并向压力辊吸入高温 风，用于加热垄尖胶膜使之加速糊化。 送胶机电机 D8：向涂胶辊输送胶液。 由于瓦楞机控制系统由多台电机组成，对各个电 机要求不同，目前瓦楞纸生产线多采用 PLC 作主控系 统，或是以 PLC 为基础的集散控制系统1。而单片机 有小而全，编程灵活等特点，因此本文设计了一种 PC 机与单片机相结合的实时控制系统。本设计中，单片 机系统作为下位机进行数据采集和执行控制， PC 机 而 作为上位机进行发送命令、实时监测、数据存储、动 态显示等工作。单片机利用新型的 C80

8、51 单片机作为 主控制器实现直流电机 PWM 控制的方案， 并采用 PID 62 直流电机 PWM 控制方案的单片机实现 2.2 2011.3 控制方法以提高控制精度，达到有效、经济的多机控 制目的。 2 系统介绍 单片机系统作为下位机进行数据采集和执行控 制，而 PC 机作为上位机进行发送命令、实时监测、数 据存储、动态显示等工作。在这种结构下，所有的传 感器以及执行器均与下位机相连，由其直接控制。上 位机和下位机的连接利用 PC 机主机自有的 RS232 接 口,采用 S2-485 转换芯片和 RS485 总线连接组成通信 网络如图 1 所示。 上位机 S2-485 转换芯片 RS485

9、 总线 1机 2机 8机 驱动电路的选择 目前应用最多的 PWM 驱动电路是 H 型双极性驱 动。H 型双极性可逆系统有低速运行平稳的优点，但 也存在着电流波动大，功率损耗大的缺点，且在开关 器件切换时可能发生上下桥臂直通的事故，为了防止 直通，在上下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时， 或设置逻辑电路， 这样又限制了开关频率的提高2。 而 且在工作过程中，4 个开关器件可能都处于开关状态， 开关损耗大。因此本系统 PWM 驱动部分采用受限单 极性驱动。 受限单极性可逆 PWM 驱动系统，与常见的双极 性可逆系统的驱动电路相同，只是控制方式不同，如 图 3 所示。在要求电动机正转时，开关管 V

10、1 受 PWM 信号控制，开关管 V4 施加高电平使其常开；开关管 V2、V3 加低电平，使它们全部截止。在要求电机反转 时，开关管 V3 受 PWM 信号控制，开关管 V2 施加高 电平使其常开，开关管 V1、V4 施加低电平，使他们全 部截止 3 。这样该控制方式下直流电机两端电压为 U0= U。 Us 图1 瓦楞纸生产线多电机控制系统结构 D1 UI1 V1 A B D2 V3 UI2 本文将主要介绍以新型 C8051 为控制器设计的一 个下位机的直流电机 PWM 调速系统。 控制系统框图 用 C8051 单片机来实现控制系统的给定、转速测 量结果的处理、PID 控制、PWM 控制波的输

11、出以及即 时速度显示等功能。其中输出的 PWM 控制波经光电 隔离后驱动 PWM 功放电路， 通过改变 PWM 波的占空 比来调节电枢两端的电压， 达到控制点机转速的目的。 在测速部分采用光电编码盘，光电编码盘输出的脉冲 经整形辨相后与单片机相连，通过软件计算来实现速 度的测量。单片机控制系统设计如图 2 所示。 键盘给定 2.1 UI2 V2 D3 D4 V4 UI1 图3 受限单极性可逆 PWM 驱动电路 2.3 测速程序 PID 运算 PWM 输出 单片机 光电隔离 脉冲整形 光电 编码 电机 PWM 功放 图2 单片机控制系统设计图 测速电路 由于单片机只能处理数字信号，为了控制方便，

12、 且增强抗干扰能力，本系统采用数字测量装置增量式 光电编码盘，将其通过联轴节与被测轴连接，将角位 移转换为 A、B 两路脉冲信号，它每圈能输出 1024 个 A 相或 B 相脉冲和一个零位脉冲，A 相、B 相脉冲信 号的相位差相差 90 度。 将脉冲经整形辨相电路后送单 片机的计数器， 根据测速程序就可以计算出实时转速。 为了实现可逆控制，用光电编码器的波形实现可 逆位置检测时，必须将 A、B 两相方波波形进行整形 和辨相处理，产生出反映电动机转向的脉冲信号。整 形辨相电路如图 4 所示。它将光电编码器输出的两路 信号 A、B 经施密特触发器整形后，分别输入到一个 2011.3 大 电 机 技

13、 术 63 锁相 D 触发器的 CP 端和 D 端， 触发器的 CP 端在 A D 脉冲的上升沿触发。由于 A、B 脉冲相位相差 90°， 当正转时 B 相脉冲超前 A 相脉冲 90°， 触发器总是在 B 脉冲处于高电平时触发，这时 Q=1，表示正传；当 反转时，A 脉冲超前 B 脉冲 90°，触发器总是在 B 脉 冲处于低电平时触发，这时 Q=0 表示反转。A、B 脉 冲的另一路经与非门与单片机的计数器输入端口连接 进行计数。 B A D CP Q 正转 反转 计数脉冲 Q B A Q B A Q Q=1 正转 Q=0 反转 图4 整形辨相原理 PCA阵列高速输

14、出PWM原理 目前大多数单片机PWM控制系统多采用的是软 件延时法来产生PWM波形，该方法由于占用CPU资源 并非首选。 因此本文利用新型的C8051单片机的PCA阵 列实现直流电机PWM控制的方案。 PCAOCPMn E C O M C A P P C A P N M A T T O G P W M E C C F 2.4 C8051 单片机有 PWM 功能和捕捉功能，这些功 能都包含在可编程计数器列阵 PCA 中。 PCA 阵列中每 个捕捉/比较模块都有一个 16 位模块寄存器（8 位 PCA0CPHn 和 8 位 PCA0CPLn） 每个捕捉模块都还有 ， 4 种工作方式： 边沿触发捕捉

15、、 比较、 高速输出、 PWM。 通过其 PWM 工作方式，可以容易得到 8 位 PWM 波， 分辨率为 1/256。 在电动机控制中为了得到更好的控制 效果， 我们可以运用 PCA 比较/捕捉模块的高速输出工 作方式获得。 如图 5 所示，当 PCA 阵列的档期设定为高速输出 方式时，每当 PCA0L 和 PCA0H 的值与该模块寄存器 PCA0CPLn 和 PCA0CPHn 中的常数值相等时，就使 CEXn 引脚上的逻辑电平发生一次变化（取反） ，同时 触发一次中断，使该模块的中断标志位 CCFn 置 1。根 据高速输出方式的工作原理可知，当条件匹配时，在 CEXn 引脚上会产生一次正跳变

16、或一次负跳变， 同时触 发一次中断。如果在正跳变时，将 PWM 高电平计数 值（记为 Ton）装入 16 位模块寄存器 PCA0CPLn 和 PCA0CPHn 中，在负跳变时装入 0，则在 CEXn 引脚 就可以得到 16 位 PWM 输出。 这一 16 位 PWM 波的占 空比 由下式决定，=Ton/65536 由式可见改变 PWM 高电平计数值 Ton 就可以改变 占空比。如果取系统的 4 分频作为 PCA 时钟，考虑到 中断服务程序需要花一定的时间，则 PWM 的最小值 是 7 个 PCA 时钟，最大值为 65529 个 PCA 时钟，这 时占空比 0.01068%<<99.

17、9893%完全能满足电动机的 高精度控制需求。 PCAOCN C F C R C C F 4 C C F 3 C C F 2 C C F 1 C C F 0 PCAOCPLn PCAOCPHn 相等 TOGN 16 位比较器 允许 电平切换 CEXn PCAOL PCAOH 0 1 相交开关 I/O 图 5 PCA 阵列高速输出 PWM 原理图 64 直流电机 PWM 控制方案的单片机实现 初始值的改变做出响应。 2011.3 2.5 W/(rad/s 键盘输入电路 系统使用 4 片 BCD 码拨盘组成拨盘阵列（如图 6 所示）进行速度设定输入，它可以可靠方便的进行 4 位转速给定。这种输入器

18、件更改数据方便，一旦确定 拨盘位置，就长期以确定的数据供 CPU 使用。拨盘的 面板上有两个按键， 分别标以“+”、 “-”符号， 按动按键， 就可以改变中间窗口中的十进制数。在本系统中利用 扫描式键盘的思路， 使用 C8051 的 P1 口， 其高 4 位选 择某片拨盘，低 4 位输入该片的 BCD 码，利用程序控 制可以读入千、百、十和个位 4 位十进制数字。 4 8 A 1 2 4 试验结果 利用上述设计的下位机单片机控制系统，在瓦楞 纸生产线的小传送带电机上进行了控制效果检测实 验。设定转速为200rad/s，t=5s时对电机突加一负载后， 速度控制效果如图7所示。 250 200 1

19、50 100 50 0 0 2 4 t/s 6 8 10 图7 图6 设定输入值的拨盘阵列 试验结果 5 结论 3 软件设计 程序运行时，先对程序中需用到的存储区、系统 时钟、交叉开关、输入输出端口、定时器、PCA、中 断等进行初始化，然后读取拨码盘键值和电机设置状 态。根据电机特性对键值进行预处理，并对电机控制 位进行设置。在预处理过程中要将从键盘读取得 BCD 码转换为 16 进制的数值，并根据它计算出 PWM 控制 量。计算出控制量后，如果电机启动开关开启，则设 置 PCA 的 PWM 值，同时启动 PCA，允许 PCA 中断 使单片机 P0 口的 D0 位输出 PWM 波形。完成以上动 作后，重新判断启动位和设置启动位。如果启动位关 闭或有设置改变，则先关闭 PWM 输出，以防止桥臂 直通，并使系统跳到上一步重新判断或叫到读设定值 位置。如果启动位为 1 且没有设定值改变则调用测速 程序及计算