直流电动机控制技术简介

1.直流电机的结构和工作原理

直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为：直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。

直流电动机电路模型如图9.27所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。

图9.27　直流电动机电路模型

2.直流电动机的单片机控制

直流电动机转速的控制方法可分为两类：励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小但低速时受到磁场饱和的限制，高速时受到换向火花和转向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大、动态响应较差，所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。

传统的改变端电压的方法是通过调节电阻来实现的，但这种调压方法效率低。随着电力电子技术的发展，创造了许多新的电枢电压控制方法。其中脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）是常用的一种调速方法。其基本原理是用改变电机电枢电压的接通和断开的时间比（占空比）来控制马达的速度，在脉宽调速系统中当电机通电时，其速度增加，电机断电时其速度降低。只要按照一定的规律改变通断电的时间，就可使电机的速度保持在一稳定值上。

1）直流电动机的PWM控制技术

PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或控制电压脉冲的宽度和周期以达到变压变频目的的一种控制技术。下面简述一下PWM调速系统的工作原理。图9.28所示为PWM调速系统的工作原理电路及其输出波形。

图9.28　PWM调速系统的工作原理电路及其输出波形

（a）工作原理电路；（b）输出波形

假设V1先导通T1秒，然后又关断T2秒，如此反复进行，可得到图9.28（b）的波形图，可以得到电机电枢端的平均电压如果α可定义为占空比。假定输入电压Ud不变，α越大，则电机电压Ua就越大，反之也成立。所以改变α就可以达到调压的目的。

改变α有三种方法：第一种就是T1保持不变，使T2在0到∞之间变化，这叫定宽调频法；第二种就是T2不变，使T1在0到∞之间变化，这叫调宽调频法；第三种就是T保持一定，使T1在0到T之间变化，这叫定频调宽法。本设计采用的是定频调宽法，电动机在运转时比较稳定，并且在产生PWM脉冲实现上更方便。

基于单片机由软件来实现PWM：在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数，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D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。改变占空比D的值有三种方法。

（1）定宽调频法：保持T1不变，只改变T2，这样使周期（或频率）也随之改变。

（2）调宽调频法：保持T2不变，只改变T1，这样使周期（或频率）也随之改变。

（3）定频调宽法：保持周期T（或频率）不变，同时改变T1和T。

前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），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来改变占空比，从而改变直流电动机电枢两端电压。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式有简化硬件电路、操作性强等优点。

PWM实现方式有以下两种。(www.xing528.com)

方案一：采用定时器作为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个μs。

方案二：采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差，故采用方案一。

2）单片机控制直流电动机的电路及程序

对小型直流电动机进行可逆的PWM调速控制，应用比较广泛的是由四个开关管构成的H形桥式驱动电路，如图9.29所示。本例通过外接的A/D转换电路，对应外部不同的电压值，利用AT89C51单片机产生占空比不同的控制脉冲，驱动直流电动机以不同的转速转动，并通过三个开关分别控制电动机的正转、反转和停止。

C语言源程序如下：

#include<reg51.h>

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit K1=P3^0；

sbit K2=P3^1；

sbit K3=P3^2；

sbit P1_0=P1^0；

sbit P1_1=P1^1；

图9.29　单片机与直流电动机的接口电路

在设计中可以使用集成有桥式电路的电机驱动芯片，可以简化电路。目前常用的电机驱动芯片有LMD18200、L298、ML33886、MC4428等。不过在应用领域，L298使用比较广泛，所以本设计采用L298作为电机的驱动芯片，其原理图如图9.30所示。

图9.30　L298驱动直流电动机原理图

L298是ST公司生产的内部集成有两个桥式电路的电机驱动专用芯片，它的工作电压可高达46 V。输出电流也很大，瞬间峰值电流可达3 A，持续工作电流可达2 A。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端口，可分别控制两个电机的启动和制动；有一个逻辑电源输入端，可使内部逻辑电路部分在低电压下工作；也可以外接电阻，把变化量反馈给控制电路。此外，L298的两个桥式电路还可以并联起来驱动一个直流电动机，持续工作电流可达到4 A。