PWM控制电机调速系统

摘要：提出一个基于PWM控制的直流电机控制系统，从硬件电路和软件设计两方面进行系统设计，介绍了调速系统的整体设计思路、硬件电路和控制算法。下位机采用MPC82G516实现硬件PWM的输出，从而控制电机的电枢电压，并显示电机调速结果。上位机采用LABVIEW软件，实现实时跟踪与显示。最后对控制系统进行实验，并对数据进行分析，结果说明该系统调速时间短，稳定性能好，具有较好的控制效果。随着计算机控制技术的开展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。电机采用微处理器控制的电压、电流、转矩、转速、转角等，实现全数字直流调速，控制精度、可靠性、稳定性、电机的性能得到提高。目前，PWM调速成为电机调速的新方式，并凭借开关频率高、低速运行稳定、动态[1-6][5-6]性能优良、效率高等优点，在电机调速中被普遍运用。但很多文献提到的PWM信号，多采用软件PWM调速，即通过单片机的中断实现，缺点是占系统资源，易受系统中断影响和干扰，造成系统不稳定。本文将针对这一点，设计一种基于硬件PWM控制，调速时间更短的电机调速系统，并具有较好的稳定性能。一、电机控制系统的整体设计1.1系统整体设计原理图系统整体设计如图1所示，主要原理框图包括：LCD显示、按盘输入、测速模块、PWM调速模块四局部。电路原理图如图2所示：图1图21.2PWM信号PWM信号的产生采用硬件PWM信号，即不采用中断实现PWM信号，而是利用单片机MPC82G516的PCA模式，PCA设置成PWM模式直接产生PWM信号。频率取决于PCA定时器的时钟源，占空比取决于模块捕获存放器CCAPNL与扩展的第9位ECAPNL的值。由于使用9位比拟，输出占空比可以真正实现0%到100%可调，占空比计算公式为:占空比=1-{ECAPnH，[CCAPnH]}/256在电源电压Ud不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比η的大小。通过改变η的值可以改变电枢端电压的平均值，从而到达调速的目的。1.3测速模块测速模块采用自带霍尔传感器并具有整形功能的直流电机调速板J1，该模块能实现电机正反转、测速、调速功能，并自带整形芯片，调试效果较好。通过霍尔传感器把测速脉冲信号送单片机P3.2，由单片机P1.0送到测速模块第5脚，控制电机正反转。PWM信号由P1.2送到测速模块第3脚，实现电机的调速。1.4I/O接口电路输入模块采用4个按键S1、S2、S3、S4，接在单片机P1.4、P1.5、P1.6、P1.7，分别实现启动、加速、扩展功能、减速功能。电机正反转控制由P1.0送到测速模块第1脚。输出显示模块采用LCD1602，是一种内置8192个16*16点汉字库和128个16*8点ASCII字符集图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128×32全点阵液晶显示器组成，可完成图形显示，也可以显示7.5×2个(16×16点阵)汉字，与外部CPU接口采用并行或串行方式控制。二、电机调速系统的软件设计2.1程序流程图当系统启动后，单片机进行初始化设置，单片机检测是否有键按下，再执行按键子程序，读取键值，调用中断，主单片机将传感器输入的信号进行计算，控制PWM的输出，从而控制电机的转速，依次循环使电机趋于稳定值。系统主程序框图如图3所示。图32.2上位机软件系统由计算机控制单片机，从而控制直流电机的速度，PC机做为上位机，单片机作为下位机。为了便于查询和保存数据以及通过PC机调直流电机速度。上位机采用美国NI公司LabVIEW软件。LabVIEW是一种图形编程语言，通常称为G语言，具有开放的环境，能和第系统通过PC机与单片机串口实现三方软件轻松连接通讯，构成一个数据采集系统。4为LabVIEW软件程图序框图。图4三、系统测试与分析PWM信号的输出，实现对直流电机转速进行控制的方法。利用上位机LabVIEW软件，可得到电机调速结果。图5为电机空载情况下的调速结果，测量数据结果如表1。图5数据分析：启动段，电机转速从零上升到53r/s，只需用6s，并很快趋于稳定；加速段，电机转速从53r/s上升到86r/s，只需用5s，并很快趋于稳定；减速段，电机转速从86r/s下降到53r/s，只需用7s，并很快趋于稳定。从数据中看出，通过PWM调速，电机转速变化至稳定，假设不考虑按钮灵敏度，根本保持在5s左右，并能很快趋于稳定，较好地满足设计要求。四、PWM调速程序介绍PWM调速通过改变一定频率方波脉冲的占空比来改变电机速度，本设计脉冲周期恒定,本设计通过把方波分成160份，改变上下脉冲的份数来改变PWM的波形，单片机PWM调速的程序代码如下所示：void

control()

{

EA=1;

while(1)

{

if(a>=150)

a=150;if(a<=10)

a=10;

P1_1=0;

delay(160-a);P1_1=1;

delay(a);

key=GeyKey();

if(key=='-')

a-=n;else

if(key=='+')

a+=n;else

if(key=='='){P1_0=1;dprintf(0,72,"方向:顺时针");}

else

if(key=='c'){

P1_0=0;dprintf(0,72,"方向:逆时针");}

else

if(key=='*')

{

P1_1=0;

break;}

else

if(key!=0)break;

}

EA=0;

}总结本设计中，调速是系统的主要功能，通过研究直流电动机的机械特性，得出了几种常见的改变转速的方法，因调压调速可实现额定转速以下大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。这种方法在直流电力拖动系统中被广泛采用。为了使系统能保证稳定的前提下实现转速无静差，且能够快速起制动，重点介绍了转速、电流双闭环控制系统。转速负反应得到的反应电压，与给定值进行比拟后，产生了频率一定，占空比可调的脉宽序列，并通过功率放大后，对主电路变换器的电力电子元件的导通和关断进行驱动控制，从而改变电动机的转速，本设计，为了实现PWM控制，介绍了PWM调制技术的原理，并对PWM变换器进行了详细介绍，为了使系统能正反转运行，主电路采用双极式桥式变换器。最后，通过计算机仿真软件MATLAB对系统进行了仿真，通过对波形的分析验证了转速、电流双闭环脉宽调速系统的优点。通过本次设计，加强了我对知识的掌握，使我对设计过程有了全面地了解。通过学习控制系统工作原理以及如何利