基于单片机的脉宽调制控制电路的设计.docx
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基于单片机的脉宽调制控制电路的设计
基于单片机的脉宽调制控制电路的设计
摘要
随着电子技术的不断发展，脉宽调制技术应用于电机转速的控制越来越广泛。
特别是单片机应用技术的不断发展，使得脉宽调速技术成为电机调速的主流。
本设计给出了一种基于单片机的直流电机转速控制系统。
该系统采用MCS-8051单片机为核心，产生PWM（脉宽调制）信号；把输出的PWM信号通过LMD18200驱动电路直接控制直流电机的启动、速度、暂停以及方向的变化；设计的键盘人机界面可以方便的改变PWM的状态，进而达到方便的改变电机的工作状态；电机的转速可以方便的显示在数码管上。
通过试验，本设计不仅可实现直流电机启动、正反转和顺序控制，还可方面的进行转速控制，控制精度达到了较高的要求，具有一定的实用价值。
关键词：
PWM；单片机；控制
Abstract
Withtheelectricaltechnologydevelopment,thetechnologyofPWMhavebeenusedtomachinespeedcontrolinfarandwide.basedonsinglechipmicrocomputer'sdirectcurrentmachinespeedcontrolsystem.ThissystemusestheMCS-8051singlechipmicrocomputerisacore,producesPWM（pulse-durationmodulation）thesignal;UsesthebipolaritydrivetypethroughtheLMD18200actuationchiptocontroldirectcurrentmachine'sstart,thespeed,thesuspensionaswellasthedirectionchange;Andusesthekeyboardtotaketheinput,addsandsubtractschangesthePWMsignaldata;Carrieson7sectionofnixietubeactuationsthroughCD4511todemonstrateelectricmotor'srotationalspeed.Bythisexperimentthisdesignmaytakethesimplecontroltopluralityofcontrolsexcessive,realizesthedirectcurrentmachinetostart,isreversingoutsidethecontrolandthesequentialcontrol,butmustcarryonthespeedcontrol,ithavevaluetouseinactually
thekeywords:
PWM;SMC；control
前言
在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用，无论在工业农业生产、交通运输、国防航空航天、医疗卫生、商务与办公设备，还是在日常生活中的家用电器，都在大量地使用着各式各样的电动机。
据资料统计，现在有的90%以上的动力源来自于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分。
随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展。
脉宽调制控制在电机控制方面起了很重要的作用。
脉宽调制控制控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点，对于交流电机驱动而言，传统的脉宽调制多采用模拟技术实现，即脉宽调制信号的获得是通过三角波与所希望的调制函数直接比较而获得，随着高性能的交流伺服驱动系统的全数字控制，以及驱动电机电流控制的数字化方法的实现，脉宽调制方法须采用数字化实现。
数字化实现脉宽调制方法的一个优点就是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。
让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。
总之，脉宽调制的数字化实现可以大幅度降低系统的成本和功耗，提高系统的可靠性，运行的稳定性。
由于单片计算机具有体积小，重量轻，耗电少，功能强和价格低等特点，又由于数据大多是在芯片内传送处理，所以运行速度快，抗干扰能力强。
以至于从七十年代问世以来，在二十多年的时间里，发展异常迅速，并已广泛应用于各种领域。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的。
单片机具有通讯接口，用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机可并行工作，大大地提高了系统的运行速度。
单片机所实现的控制是靠程序的，并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。
通过对单片机的程序的编写可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。
本设计就是基于单片机的应用实现脉宽调制控制的。
利用单片机的编程来改变脉宽波形的占空比从而可以得到频率稳定占空比不同的矩形波，矩形波通过滤波后就可以得到相应的电压值，从而控制电机。
第1章绪论
第1.1节脉宽调制控制电路概述
脉宽调制技术起源甚早，随着工业生产的需求和科学技术的发展，80年代后，它被广泛应用于工业功率控制装置的逆变器中，从此获得迅速发展。
它的特点是以微处理器和电子半导体元件为核心，横跨电力、电子、微型计算机及自动化控制等多种学科领域。
在对电路的控制中，因为模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制，所以模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对收音机的音量进行控制。
在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻，拧动旋钮时，电阻值变大或变小，流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。
与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例，尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。
其中一点就是，模拟电路运行时其参数容易随时间漂移，因而难以调节。
能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。
模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作组件两端电压与电流的乘积成正比。
模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。
因此如果以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。
脉宽调制就是用数字的方式控制电路的，也就是说脉宽调制控制是通过对模拟信号电平进行数字编码的一种控制方式。
由于高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调变用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
脉宽调制信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有，要么完全无。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候就是电被断开的时候。
只要频宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
本文介绍的是基于单片机软件产生的脉宽调制电压，即用单片机的编程，通过软件的方式输出一系列按一定规律变化的、幅值相等而宽度不相等的脉冲。
在本设计中，系统的主要硬件是单片机，我选用了MCS--51单片机，MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，与MCS-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品。
在驱动部分我用了LMD18200。
第1.2节设计任务与要求
本设计是在单片机的基础上实现脉宽调制电压，需要设计者对整个系统的每一部分进行认知，各部分的功能以及实现方法，要求对该系统以MCS-51单片机为核心，产生PWM（脉宽调制）信号的过程以及通过LMD18200驱动芯片采用双极性驱动方式来控制直流电机的启动、速度、暂停以及方向的变化实现方法，并且采用键盘作为输入，加减改变PWM信号数据；通过CD4511进行7段数码管驱动显示电动机的转速的原理掌握并自主编程实现。
本次设计对直流电机的简单控制向复杂控制的过度，实现直流电机启动、制动、正反转控制和顺序控制外，还要进行转速控制的实现需要设计者的专刻研究。
例如用到的单片机的原理及其编程的方法；系统用到的基本原理，如脉宽调制控制的理论及脉宽调制控制的实现方法，都需要设计者的认真对待，查阅相关资料。
第1.3节总体设计方案
本设计是要求设计者基于单片机软件实现脉宽调制电压，设计的核心器件是单片机，由单片机的软件编程输出脉宽波形，再由驱动电路实现对被控电路的控制，对直流电机的启动、制动、正反转控制和顺序控制以及转速控制，具体硬件设计方案框图如图1-1所示。
图1-1硬件设计方案框图
其主要由MCS-8051单片机、LMD18200的驱动电路、增量式光电编码器、编码器接口电路LED显示、232串行通讯接口电路构成。
各部分作用介绍如下。
MCS-51单片机：
实现对键盘控制，查看按键的状态的变化，判断按键是不是按下；并实现LED显示；并且生成PWM信号，控制直流电机的转速。
LMD18200：
提供双极性驱动方式和单极性驱动方式，本设计用的是双极性方式，双极性可逆系统有低速运行平稳性的优点。
增量式光电编码器：
当光电编码器的轴转动时，A、B两根线都产生脉冲输出，A、B两相脉冲相差900相位角，如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转。
第2章硬件设计
第2.1节单片机的选择
本设计的硬件主体是单片机，单片机作为脉宽调制控制的中央处理单元，担负着重要的任务，所以对单片机的选择十分的重要。
我在对市场上一些应用比较广泛的单片机进行了对比，最终选择了利用率比较高的MCS-51系列单片机。
MCS-51把微型计算机的主要部件都集成在一块心片上，使得数据传送距离大大缩短，可靠性更高，运行速度更块，由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定。
而且它的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，介绍其功能特性书籍和开发软件随处可取，只需配备一台PC（个人电脑——对电脑的配置基本上无要求），一台仿真编程器即可实现产品开发，早期的开发软件多使用DOS版本，随着Windows视窗软件的普及，现在几乎都使用Windows版本，并且软件种类繁多，琳琅满目，在众多的单片机品种中，C51的环境资源是最丰富的，这给C51用户带来极大的便利，一直到现在MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品。
因此，在工业测控系统中，它仍然是单片机的最理想的选择。
单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。
第2.2节LMD18200的介绍及工作原理
2.2.1LMD18200的简介
LMD18200是美国国家半导体公司（NS）推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件。
同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件，利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。
LMD18200广泛应用于打印机、机器人和各种自动化控制领域。
其功能如下：
1额定电流3A，峰值电流6A，电源电压55V;
2额定输出电流2A，输出电压30V;
3可通过输入的PWM信号实现PWM控制：
4可通过输入的方向控制信号实现转向控制；
5可以接受TTL或CMOS以及与它们兼容的输入控制信号；
6可以实现直流电动机的双极性和单极性控制；
7内设过热报瞥输出和自动关断保护电路；
8内设防桥臂直通的电路。
2.2.2LMD18200的内部结构
图2-1LMD18200外形结构图
LMD18200外形结构如图2-1所示。
它有11个引脚,采用TO-220和双列直插式封装。
LMD18200的原理图如图2-2所示．由图可见．它内部集成了4个DMOS管，组成一个标准的H型驱动桥．通过充电泵电路为上桥臂的2个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路由一个300kHz的振荡器控制．使充电泵电容可以充至l4V左右，典型上升时间是20μs，,适于1KHz左右的工作频率。
可在引脚1、11外接电容形成第二个充电泵电路，外接的电容越大，向开关管栅极输入电容充电的速度越快．电压上升的时间越短．工作频率可以更高．引脚2、10接直流电动机电枢，正转时电流的方向应该从引脚2到引脚10；反转时电流的方向应该从引脚10到引脚2。
电流检测输出引脚8可以接一个对地电限，通过电阻来输出过流情况。
内部保护电路设置的过电流阈值为10A．当超过该值时会自动封锁输出．并周期性的自动恢复输出．如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。
过热信号还可通过引脚9输出．当结温达到145℃时引脚9有信号输出。
图2-2LMD18200原理图
2.2.3LMD18200的驱动方式
LMD18200提供双极性驱动方式和单极性驱动方式。
双极性驱动是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。
双极性驱动方式是PWM控制信号通过引脚3输入，引脚5为5V，根据PWM控制信号占空比来决定直流电机转速和方向，当占空比大于50%，输出电压大于电动机额定电压U0，电动机正转；当占空比小于50%，输出电压小于电动机额定电压U0，电动机反转；当占空比等于50%，输出电压等于电动机额定电压U0，电动机不转。
双极性可逆系统有低速运行平稳性的优点，但也存在着电流波动大，功率损耗较大的缺点，尤其是必须增加死区来避免开关管直通的危险，限制了开关频率的提高，因此只用于中小功率直流电动机的控制。
单极性驱动方式是指在一个PWM周期内,电动机电枢只承受单极性的电压。
PWM控制信号通过引脚5输入，引脚3为方向输入，引脚4为使能输入。
而本设计是应用的双极性可逆驱动方式。
第2.3节光电编码器接口
光电编码器有4个端口，2个电源端口，2个脉冲输出端口（A、B）。
光电编码器输出信号形式如图2-3所示。
图2-3光电编码器输出信号形式
当光电编码器的轴转动时，A、B两根线都产生脉冲输出，A、B两相脉冲相差900相位角，如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转。
B线用于测量脉冲个数，B线与A线配合可以测量出转动方向。
根据编码器的工作原理设计出编码器硬件接口电路如图2-4所示。
图2-4编码器接口硬件电路
以上升沿触发为例，当B路信号的上升沿引起中断时．单片机判断PC5信号的电平高低．若PC5为低电平，则电机为正转，计数器值加1；若为高电平，则电机为反转，计数器值减1。
则电机的速度即为个采样周期中值的变化量。
电机的转速
ω=λΔ/s
式中---
λ----标度变换系数，可根据转速的量纲来选择；
Δ----一个采样周期中的计数值，它的符号反映电机的转动方向；
S----采样周期。
第2.4节4N25光电隔离
光电隔离是由光电耦合器件来完成的。
其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。
由于光电耦合器的输入阻抗（100Ω～1kΩ）与一般干扰源的阻抗（105～106Ω）相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光。
另外光电耦合器的隔离电阻很大（约1012Ω）、隔离电容很小（约几个pF），所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰，被控设备的各种干扰很难反馈到输入系统。
光电耦合器把输入信号与内部电路隔离开来，或者是把内部输出信号与外部电路隔离开来，如图2-5所示。
开关量输入电路接入光电耦合器后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路的一侧。
由于光电耦合器不是将输入侧和输出侧的电信号进行直接耦合，而是以光为媒介进行耦合，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。
图2-54N25光电耦合器
目前，大多数光电耦合器件的隔离电压都在2.5kV以上，有些器件达到了8kV，既有高压大电流大功率光电耦合器件，又有高速高频光电耦合器件（频率高达10MHz）。
常用的器件如4N25，其隔离电压为5.3kV。
第2.5节直流电机的控制
2.5.1直流电机的PWM调压调速原理
众所周知．直流电动机转速，的表达式为
（2—1）
式中U----电枢端电压；
I----电枢电流；
R-----电枢电路总电阻；
φ----每极磁通量；
K---电动机结构系数
由式（2--1）可得，直流电动机的转速控制方法可分为两类：
对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。
其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大．动态响应较差，所以这种控制方法用得很少．现在，大多数应用场合都使用电枢控制法．本节我们要介绍的就是在励磁恒定不变的情况下，如何通过调节电枢电压来实现调速。
对电动机的驱动离不开半导体功率器件．在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用上又分为两种方式：
线性放大驱动方式和开关驱动方式。
线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。
这种方式的优点是：
控制原理简单．输出波动小．线性好，对邻近电路干扰小．但是功率器件在线性区工作时会将大部分电功率用于产生热量，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于数瓦以下的微小功率直流电动机的驱动。
绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。
开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。
图2-6是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形．在图2-6（a）中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压US。
t1秒后，栅极输入变为低电平．开关管截止，电动机电枢两端电压为0.t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。
图2—6PWM调速控制原理和电压波形图
这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2-6（b）所示．电动机的电枢绕组两端的电压平均值UO为
（2—2）
式中α----占空比，α=t1/T。
占空比α表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。
α的变化范围为
。
由式（2--2）可知，当电源电压US不变的情况下，电枢的端电压的平均值U0取决于占空比α的大小，改变α值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。
2.5.2双极性驱动可逆PWM系统的控制原理
双极性驱动是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。
双极性驱动电路有两种一种称为T型，它由2个开关管组成，采用正负电源．相当于2个不可逆系统的组合，由于形状像倒放的“T”字，所以称为T型．T型双极性驱动由于开关管要承受较高的反向电压，因此只用在低压小功率直流电动机驱动。
另一种称为H型，其形状像“H”字。
H型双极性驱动应用较多，因此在这里将详细介绍。
图2-7是H型双极可逆PWM驱动系统。
它由4个开关管和4个续流二极组成，单电源供电．4个开关管分成两组，V1、V4为一组，V2、V3一组。
同一组的开关嗬同步导通或关断，不同组的开关管的导通与关断正好相反。
在每个PWM里，当控制信号Ui1高电平时，开关管V1V4导通，此时Ui2为低电平．因此V2、V3截止，电枢绕组承受从A到B的正向电压；当控制信号Ui1低电平时，开关管V1、V4.截止，此时Ui2为高电平．因此V2、V3导通，电枢绕组承受从B到A的反向电压，这就是所谓的“双极”。
图2--7H型双极可逆PWM驱动系统
由于在一个PWM周期里电枢电压经历了正反两次变化．因此其平均电压U0可用下式决定：
（2—3）
由式（2--3）可见，双极性可逆PWM驱动时，电枢绕组所受的平均电压取决于占空比α大小．当α=0时，U0=-US，电动机反转，且转速最大；当α=l时．U0=US电动机正转，转速最大．当α=1/2时，U0=0，电动机不转。
虽然此时电动机不转．但电枢绕组中仍然有交变电流流动，使电动机产生高频振荡．这种振荡有利于克服电动机负载的静摩擦，提高动态性能。
第2.6节LED数码显示电路的设计
为了验证通信结果的正确性，必须增加有效的手段测试单片机接收到的数据正确与否，而最简单且可行的方法就是增加LED显示部分。
本设计选用7位共阴极LED数码管，其引脚图如图2-8所示。
图2-8LED数码管
LED数码显示器是有发光二极管组成的显示字段的显示器件。
这种显示器分为共阴极和共阳极两种形式，在本设计中，我采用的是共阴极形式。
所谓共阴极LED数码显示是指所有发光二极管的阴极连在一起，形成该模块的公共端。
通常七段LED数码显示器有8个发光二极管，其中七个发光二极管构成一个“8”，一个发光二极管用于显示小数点，这8个笔段分别用a～h表示。
LED的驱动是通过CD4511译码器，CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码-七段码译码器，其特点：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
第2.7节整体电路结构
本系统以LMD18200作为系统的驱动,intel公司8051单片机作为处理器,配以转速显示、光电编码器作为电机控制输出单元。
整个系统力求结构简单,功能完善。
硬件电路如下图所示。
由C8051单片机发出PWM控制信号，通过光电藕合器4N25与LMD18200的引脚3相连，其目的是隔离，以避免LMD18200的驱动电路对控制信号的干扰。
由于采用了LMD18200功率集成驱动电路，使整个电路元件少，体积小，适合在仪器仪表控制中使用。
系统下作原理：
在新的采样周期到来时，光电编码器测得电机的速度，并通过编码器接口电路反馈到单片机。
单片机通过比较预定义的运动速度与实际的电机速度（反馈速度），得到偏差，然后经过PID控制算法得出控制量。
单片机根据得到的控制量，改变输出PWM信号的脉宽。
PWM信号通过光耦隔离，经LMD18200进行功率放人输出控制直流电机．然后进入下一个采样周期。
整体设计的工作过程是单片机读取键盘的按下状况，通过脉宽控制波形的输出经过光电隔离，通过LMD18200的双极性控制进行对直流电机的控制，实现直流电机启动、制动、正反转控制和顺序控制。
然后由光电编码器测得直流电机的速度，并通过光电编码接口电路将信息反馈到单片机，由单片机通过比较预先给定的速度与反馈得到的速度得到偏差，然后经过PID算法得出控制量，在改变脉宽控制的宽度进行输出，并在LED上显示转速。
第3章软件控制程序设计
本系统的软件设计包括单片机程序和在上位机土运行的应用程序。
单片机控制软件采用C语言模块化程序结构。
第3.1节主程序流程
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