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1、.专业整理.基于单片机实现直流电机PWM调速系统摘要：利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制；采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形。关键词：PWM信号；直流电机；调速；占空比；单片机一、 系统总体设计框图图1系统总框图近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统
2、各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。采用传统的调速系统主要有以下缺陷：模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。另外，由于PWM 调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好；同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率
3、高。PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。二、 外设电路设计1、AT89C51单片机（1）AT89C51单片机的基本组成 AT89C51单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。（2）AT89C51单片机引脚图及功能介绍P0.7-P0.0：这8个引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。第一种情况是AT89C51不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7-P0.0用于传送CPU的I/O数据。第二种情况是AT89C51带片外存储器，P0
4、.7-P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。P2.7-P2.0：这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。P3.7-P3.0：这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。它的第二功能作为控制用，每个引脚不尽相同，如下表所示： P3口的位第二功能注释P3.0RXD串行数据接收口P3.1TXD串行数据发送口P3.2外中断0输入P3.3外中断1输入P3.4T0计数器0计数输入P3.5
5、T1计数器1计数输入P3.6外部RAM写选通信号P3.7外部RAM读选通信号表1 AT89C51芯片引脚P3口第二功能及说明 VCC为+5V电源线，VSS为接地线。ALE/：地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用，在访问片外存储器时，AT89C51CPU在P0.7-P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/线上输出一个高电位脉冲，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7-P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。在不访问片外存储器时，AT89C51自动在ALE/线上输出频率为1/6 fOSC的脉冲序列。该脉冲序列可以
6、用作外部时钟源或者作为定时脉冲源使用。 / VPP：允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制AT89C51使用片内ROM还是片外ROM。如果=1，那么允许使用片内ROM；如果=0，那么允许使用片外ROM。：片外ROM选通线，在执行访问片外ROM的指令MOVC时，AT89C51自动在线上产生一个负脉冲，用于片外ROM芯片的选通。其他情况下，线均为高电平封锁状态。RST/VPD：复位备用电源线，可以使AT89C51处于复位工作状态。XTAL1和XTAL2：片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接AT89C51片内OSC的定时反馈电路。石英晶振起振后，应能在XTAL2线上
7、输出一个3V左右的正弦波，以便于AT89C51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡，电容C1、C2可以帮助起振，调节它们可以达到微调fOSC的目的。2、PWM信号发生电路设计（1）PWM的基本原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从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，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。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，并且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”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正
8、因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如下图所示：设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为，则电机的平均速度为，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd 与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。（2）PWM信号发生电路图PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太
9、低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。在本系统内，采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。两片数值比较器4585，即图上U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2Q9，而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。只要改变P1端口的输出值，那么就可以使得PWM信号的占空比发生变化，从而进行调速控制。12位串行计数器4040的计数输入端CLK接到单片机C51晶振的振荡输出XTAL2。计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2Q9加1，当计数值小于或者等于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（AB）
10、输出端保持为低电平，而当计数值大于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（AB）输出端为高电平。随着计数值的增加，Q2Q9由全“1”变为全“0”时，图中U2的（AB）输出端又变为低电平，这样就在U2的（AB）端得到了PWM的信号，它的占空比为（255 -X / 255）*100%，那么只要改变X的数值，就可以相应的改变PWM信号的占空比，从而进行直流电机的转速控制。使用这个方法时，单片机只需要根据调整量输出X的值，而PWM信号由三片通用数字电路生成，这样可以使得软件大大简化，同时也有利于单片机系统的正常工作。由于单片机上电复位时P1端口输出全为“1”，使用数值比较器4585的B组与P1端口相连，
11、升速时P0端口输出X按一定规律减少，而降速时按一定规律增大。图2 PWM信号发生电路图（3）功率放大驱动电路设计该驱动电路采用了IR2110集成芯片，该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。IR2110的引脚图以及功能引脚1（LO）与引脚7（HO）：对应引脚12以及引脚10的两路驱动信号输出端，使用中，分别通过一电阻接主电路中下上通道MOSFET的栅极，为了防止干扰，通常分别在引脚1与引脚2以及引脚7与引脚5之间并接一个10K的电阻。引脚2（COM）：下通道MOSFET驱动输出参考地端，使用中，与引脚13（Vss）直接相连，同时接主电路桥臂下通道MOSFET的源极。引脚3（Vcc）：直接接用户
12、提供的输出极电源正极，并且通过一个较高品质的电容接引脚2。引脚5（Vs）：上通道MOSFET驱动信号输出参考地端，使用中，与主电路中上下通道被驱动MOSFET的源极相通。与引脚6（VB）：通过一阴极连接到该端阳极连接到引脚3的高反压快恢复二极管，与用户提供的输出极电源相连，对Vcc的参数要求为大于或等于0.5V，而小于或等于+20V。引脚9（VDD）：芯片输入级工作电源端，使用中，接用户为该芯片工作提供的高性能电源，为抗干扰，该端应通过一高性能去耦网络接地，该端可与引脚3（Vcc）使用同一电源，也可以分开使用两个独立的电源。引脚10（HIN）与引脚12（LIN）：驱动逆变桥中同桥臂上下两个功率
13、MOS器件的驱动脉冲信号输入端。应用中，接用户脉冲形成部分的对应两路输出，对此两个信号的限制为Vss-0.5V至Vcc+0.5V，这里Vss 与Vcc分别为连接到IR2110的引脚13（Vss）与引脚9（VDD）端的电压值。引脚11（SD）：保护信号输入端，当该引脚为高电平时，IR2110的输出信号全部被封锁，其对应的输出端恒为低电平，而当该端接低电平时，则IR2110的输出跟随引脚10与12而变化。引脚13（Vss）：芯片工作参考地端，使用中，直接与供电电源地端相连，所有去耦电容的一端应接该端，同时与引脚2直接相连。引脚8、引脚14、引脚4：为空引脚。芯片参数：1IR2110的极限参数和限制
14、：最大高端工作电源电压VB： -0.3V至525V门极驱动输出最大（脉冲）电流IOMAX：2A最高工作频率fmax：1MHz工作电源电压Vcc：-0.3V至25V贮存温度Tstg：-55至150C工作温度范围TA：-40至125C允许最高结温Tjmax：150C逻辑电源电压VDD：-0.3V至VSS+25V允许参考电压Vs临界上升率dVs/dt：50000V/s高端悬浮电源参考电压Vs：VB-25V至VB+0.3V高端悬浮输出电压VHO：Vs-0.3V至VB+0.3V逻辑输入电压VIN：Vss-0.3V至VDD+0.3V逻辑输入参考电压Vss：Vcc-25V至Vcc+0.3V低端输出电压VLO
15、：-0.3V至Vcc+0.3V功耗PD：DIP-14封装为1.6W2IR2110的推荐工作条件：高端悬浮电源绝对值电压VB：Vs+10V至Vs+20V低端输出电压VLO：0至Vcc低端工作电源电压Vcc：10V至20V逻辑电源电压VDD： Vss+5V至Vss+20V逻辑电源参考电压Vss： -5V至+5V（4）主电路设计A延时保护电路利用IR2110芯片的完善设计可以实现延时保护电路。IR2110使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率MOS器件的驱动信号之间有一互时间间隔，因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通而发生直流电源直通路的危险。B主电路图及功能说明从上面的原理可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充电的通路。因此在这个电路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持续、不间断的导通的。我们可以采取双PWM信号来控制直流电机的正转以及它的速度。将IC1的HIN端与IC2的LIN端相连，而把IC1的LIN端与IC2的HIN端相连，这样就使得两片芯片所输出的
