一种直流电机pwm调速系统及方法
阅读说明：本技术 一种直流电机pwm调速系统及方法 (Direct current motor PWM speed regulation system and method ) 是由 贺颖 董宗慧 于 2021-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明属于电子技术领域,针对传统调速方式不能满足一些需要精密转速、快速反应的场合的问题,公开了一种直流电机PWM调速系统及方法。所述系统包括单片机U1、驱动芯片U2、直流电机、电源模块、按键调节模块、使能芯片U3、显示器D1、显示器D2、晶振X1、串口通信模块和其它外围电路；该设计以单片机AT89C52为核心,通过直流电机专用驱动芯片L293D对直流电机进行转向和速度控制,同时用LED数码管显示直流电机的当前转速和期望转速。系统以Proteus作为开发平台,搭建系统模型,并利用Keil 5和Proteus进行联合仿真实现直流电机速度加减调节、转向变换控制和启停运转。本系统的开发为实现直流电机转速精确控制提供了理论基础。(The invention belongs to the technical field of electronics, and discloses a PWM speed regulating system and method for a direct current motor, aiming at the problem that the traditional speed regulating mode cannot meet the requirements of occasions requiring precise rotating speed and quick response. The system comprises a single chip microcomputer U1, a driving chip U2, a direct current motor, a power supply module, a key adjusting module, an enabling chip U3, a display D1, a display D2, a crystal oscillator X1, a serial port communication module and other peripheral circuits; the design takes a single chip microcomputer AT89C52 as a core, the steering and speed control of the direct current motor are carried out through a special driving chip L293D for the direct current motor, and the current rotating speed and the expected rotating speed of the direct current motor are displayed through an LED nixie tube. The system takes Proteus as a development platform, a system model is built, and Keil 5 and Proteus are utilized to carry out combined simulation to realize speed plus-minus adjustment, steering conversion control and start-stop operation of the direct current motor. The development of the system provides a theoretical basis for realizing the accurate control of the rotating speed of the direct current motor.)
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体为一种直流电机PWM调速系统及方法。
背景技术
直流电机因具有良好的线性特性，广泛应用于厂矿、医院、航天航空等场所，其在经济生产中有巨大的贡献。在不同的生产生活场合中其速度与转向的要求各有不同，故其速度与转向控制至关重要。直流电机传统的调速方式主要有两种：一种是改变直流电机的励磁电流来改变直流电机转速，励磁电流越低直流电机的速度越快，但是励磁电流不能为零，否则会发生飞车的危险；另一种是改变直流电机的电枢电压来改变直流电机转速，电枢电压越高直流电机的速度越快。两种方法都能实现无差调节，但是这两种调速方法的弱磁和电压大小不能精确控制，不能实现精确调速。此外，改变直流电机转向还必须改变加在直流电机电枢两端的电流的方向，传统方式其接线也十分复杂并且需要用手动拨动开关，不能实现快速性。
然而，在一些需要精密转速、快速反应的场合，传统的调速方式不能满足要求，因此，本发明提供一种适用于上述场合的直流电机PWM调速系统及方法。
发明内容
针对传统调速方式不能满足一些需要精密转速、快速反应的场合的问题，本发明提供了一种直流电机PWM调速系统及方法。本发明以单片机AT89C51为核心，以Proteus为开发平台，搭建系统模型，设计直流电机调速系统，实现直流电机的数字化精准调节。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
直流电机PWM调速原理：
脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)，简称PWM，电路按一定频率接通、关断，开通时间(ton)与脉冲周期(T)之比称之为占空比D％。若干周期内直流电机电枢端电压为此段时间内的斩波电压的有效值。
当电路一直开通，加在直流电机电枢端电压为U；当占空比为D％时，加在直流电机电枢端电压为Ud，
Ud＝U*D％ (1)
当电路一直开通，直流电机转速为V；当占空比为D％时，直流电机转速为Vd，
Vd＝V*D％ (2)
通过单片机AT89C52调节PWM波占空比可实现数字精确输出。因为单片机输出电压在3～5V，故PWM波不直接控制直流电机，而是间接控制由电力电子器件搭建的H型双桥电路对大型直流电机进行调速，或者控制直流电机专用驱动芯片对12～36V的小型直流电机调速。直流电机转向可以由单片机输出不同组合的开关信号改变，H型双桥电路或专用驱动芯片根据信号组合改变输入直流电机电枢电流的方向，以改变直流电机转向。由于PWM波占空比可以实现数字级别的输出，且其输出速度为电力电子器件、专用驱动芯片的反应时间，大约在毫秒级别，故此方式进行直流电机调速更加精确快速，能适用于精密调速快速反应的场合。
本发明提供一种直流电机PWM调速系统，包括单片机U1、驱动芯片U2、直流电机，还包括电源模块、按键调节模块、使能芯片U3、显示器D1、显示器D2、晶振X1、串口通信模块和其它外围电路；
其中，所述直流电机的引脚1、引脚2分别与驱动芯片U2的引脚3、引脚6连接，直流电机的引脚3、引脚4分别与单片机U1的引脚12、引脚13连接；所述驱动芯片U2的引脚1、引脚7、引脚2分别与单片机U1的引脚3 7～39连接，驱动芯片U2的引脚8、引脚16分别与电源模块的电源VCC1和电源VCC连接，驱动芯片U2的引脚15、引脚GND接地；所述晶振X1的引脚2、引脚1分别与单片机U1的引脚18、引脚19连接；所述按键调节模块的五个按键开关S2～S6的一端分别与单片机U1的引脚36～32连接，另一端短接后接地；所述使能芯片U3的引脚1、引脚12、引脚13分别与单片机U1的引脚1～3连接，使能芯片U3的引脚14、引脚16、引脚20、引脚23、引脚21、引脚15、引脚17、引脚22分别与显示器D1、显示器D2的引脚1～8连接，使能芯片U3的引脚2、引脚11、引脚6、引脚7分别与显示器D1的引脚9～12连接，使能芯片U3的引脚3、引脚10、引脚5、引脚8分别与显示器D2的引脚9～12连接。
进一步，所述单片机U1为AT89C52单片机；所述驱动芯片U2为L293D驱动芯片，是四路高电流双桥驱动器，芯片内部有四个高电流双桥电路，是直流电机专用使能芯片；所述直流电机为工作电压12V且带光电测速器的传感器；所述按键调节模块包括正转按键key1、反转按键key2、加速按键key_add、减速按键key_dec和停止按键key3；所述使能芯片为8位数码管使能芯片MAX7221；所述显示器D1为7SEG-MPX4-CC四位八段共阴极数码管D1、显示器D2为7SEG-MPX4-CC四位八段共阴极数码管D2，分别显示直流电机的期望转速和实时转速；所述串口通信模块包括串口P1和上位机，串口P1的引脚2和引脚3分别与单片机U1的引脚10、引脚11连接，用虚拟串口助手分配的一对已经连接好的串口连接串口P1与上位机。由于L293D驱动芯片在4.5V-36V电压下可提供至高600mA的直流电流，所以L293D驱动芯片可以对4.4V-36V的直流电机供电和调速，系统中所用的直流电机额定电压为12V，可用L293D对其进行调速。
进一步，当所述直流电机为大功率直流电机时，驱动芯片U2替换为电力电子器搭建的H型双桥电路。
进一步，所述串口通信模块还可以为蓝牙、WIFI、5G类具体的通信设备。
进一步，所述传感器的光电测速器为光电码盘，光电码盘有两个光传感器。
本发明还提供一种直流电机PWM调速方法，所述调速包括对直流电机的转向、转速和启停的调节控制；具体包括以下步骤：
步骤1，对直流电机的转向、转速和停止的调控：
对直流电机转向的调节控制过程为单片机U1接收按键调节模块或串口通信模块的指令后，在引脚39、引脚38上输出不同组合的信号控制驱动芯片U2的OUT1、OUT2间电流的流动方向，，进而控制直流电机电枢端的电流方向，最终调节直流电机的正反转；
对直流电机转速的调节控制过程为：单片机U1接收按键调节模块或串口通信模块的指令后，在单片机U1的引脚37上输出经过调制的PWM波，然后用驱动芯片U2的EN1使能控制OUT1、OUT2间的电压，进而控制直流电机的转速；
步骤2，对步骤1中调控信号的采集：由单片机U1的外部中断INT0与定时/计数器T0程序配合采集计算直流电机转速，单片机U1的外部中断INT0和外部中断INT1配合判断直流电机转向；
步骤3，步骤2中采集到调控信号的显示：
转速：当单片机U1的外部中断INT0采集到高电平，全局变量num计数值加1；在定时/计数器T0程序中，定时一秒钟，根据外部中断INT0的num计数值计算直流电机实时转速(rad/s)并将转速各位数据送入显示器D2，即实时转速显示器的1～3位；根据PWM波占空比计算直流电机指定转速(rad/s)并将转速各位数据送入显示器D1，即指定转速显示器的1～3位；
转向：单片机U1的外部中断INT1在上升沿时，外部中断INT0采集到高电平，转向TURN＝0，表示直流电机正转，在定时/计数器T0程序中将“0”送入两个显示的最高位；外部中断INT1在上升沿时，外部中断INT0采集到低电平，转向TURN＝10，表示反转，在定时/计数器T0程序中将“-”送入两个显示器的最高位。
进一步，所述按键调节模块指令包括正转、反转、加速、减速和停止，当按下正转按键key1时，单片机U1的引脚39、引脚38输出正转指令，驱动芯片U2加在直流电机电枢两端输出的电流方向为正，控制直流电机正转；按下反转按键key2时，单片机U1的引脚39、引脚38输出反转指令，驱动芯片U2加在直流电机电枢两端输出的电流方向改变，控制直流电机反转；当按下加速按键key_add或减速按键key_dec时，单片机U1的引脚37输出的PWM波占空比D％相应增加或减小，驱动芯片U2加在直流电机电枢两端输出的电压改变，直流电机电枢两端的有效电压改变，从而改变转速；当按下停止按键key3时，单片机引脚37～39均不输出，直流电机停止运转。
进一步，所述串口通信指令由上位机发送，上位机发送“1～5”分别表示正转、反转、加速、减速和停止，其功能与按键调节模块的控制一致。
所述PWM波的输出采用定时/计数器T1程序，具体如下：
全局变量count作为占空比初始值为50，全局变量time作为计数值初始值为0，当定时器T1计时结束，全局变量time加1，全局变量time与全局变量count进行比较，若time≦count，则PWM输出为高电平，若time≧count，则PWM输出为低电平，当全局变量time>100时，给全局变量time赋初始值0，如此就可输出一个完整的PWM波，占空比“count”的值由按键进行赋值，点击加速按键“count”值加10，点击减速按键“count”值减10，实现调制随“count”值变化占空比的PWM波。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、本发明采用AT89C52单片机外部中断INT0产生PWM波控制L293D驱动芯片驱动直流电机进行调速，用光电码盘将直流电机转速由模拟量转换成数字量，实现直流电机调速的数字化。由于PWM波占空比可以实现数字级别的输出，且其输出速度为电力电子器件、专用驱动芯片的反应时间，大约在毫秒级别，故此方式进行直流电机调速更加精确快速，能适用于精密调速快速反应的场合。
2、本发明除用传统按钮控制外，还可利用串口功能通过接入蓝牙、WIFI、5G等通信技术用PC和移动终端等对直流电机进行调速。通过串口功能将直流电机接入物联网对，可以实现远程控制直流电机。
3、本发明系统采用MAX7221芯片控制两个用来显示指定转速和实时转速的四位LED数码显示器，节省了单片机接口；用AT89C52单片机外部中断INT0与外部中断INT1相配合采集并计算直流电机转速与转向，并将直流电机速度输出于四位数码显示器。
4、本发明系统预留升级窗口，可根据需要移植不同通信技术、选择不同终端对直流电机进行调速。还可通过更换直流电机驱动芯片控制更大功率的直流电机。
附图说明
图1为本发明系统电路结构示意图。
图2为按键调节模块流程图。
图3为PWM波输出采用的定时/计数器T1程序。
图4为PWM波输出采用的定时/计数器T1程序流程图。
图5为外部中断INT0程序图。
图6为定时/计数器T0程序。
图7为外部中断INT1程序。
图8为调控信号显示流程图。
图9为直流电机参数设置。
图10为Keil 5中晶振频率设置。
图11为Proteus中晶振频率设置。
图12为串口设置。
图13为直流电机正转运行示意图。
图14为直流电机反转运行示意图。
图15为直流电机停止运行示意图。
图16为直流电机转速控制示意图。其中(a)表示直流电机正转加速示意图；(b)表示直流电机反转加速示意图；(c)表示直流电机正转减速示意图；(d)表示直流电机反转减速示意图。
图17为上位机设置及其人机交互示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行具体、详细的说明。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。
实施例1
直流电机PWM调速系统的设计：
如图1所示，本发明直流电机PWM调速系统，包括单片机U1、驱动芯片U2、直流电机、电源模块、按键调节模块、使能芯片U3、显示器D1、显示器D2、晶振X1、串口通信模块、电位器RP1、电阻R1～R6、R8，电容CI～C3和开关S1；
其中，所述直流电机的引脚1、引脚2分别与驱动芯片U2的引脚3、引脚6连接，直流电机的引脚3、引脚4分别与单片机U1的引脚12、引脚13连接；所述驱动芯片U2的引脚1、引脚7、引脚2分别与单片机U1的引脚37～39连接，驱动芯片U2的引脚8、引脚16分别与电源模块的电源VCC1和电源VCC连接，电源VCC1电压值是12V，驱动芯片U2的引脚15、引脚GND接地；所述晶振X1的引脚2、引脚1分别与单片机U1的引脚18、引脚19连接；所述按键调节模块的五个按键开关S2～S6的一端分别与单片机U1的引脚36～32连接，并且分别与上拉电阻S1～S5的一段连接，另一端短接后接地，上拉电阻S1～S5的另一端与电源VCC连接；所述使能芯片U3的引脚1、引脚12、引脚13分别与单片机U1的引脚1～3连接，使能芯片U3的引脚14、引脚16、引脚20、引脚23、引脚21、引脚15、引脚17、引脚22分别与显示器D1、显示器D2的引脚1～8连接，使能芯片U3的引脚2、引脚11、引脚6、引脚7分别与显示器D1的引脚9～12连接，使能芯片U3的引脚3、引脚10、引脚5、引脚8分别与显示器D2的引脚9～12连接；所述电位器RP1的引脚1连接电源VCC，引脚2和3分别接单片机U1的引脚39、引脚38；电容C1的一端与晶振X1的引脚1连接，电容C2的一端与晶振X1的引脚2连接，电容C1的另一端与电容C2的另一端短接后接地，电容C3的一端与单片机U1的引脚9连接后与电容R8的一端连接，电阻R8的另一端接地，电阻C3的另一端与电源VCC连接；开关S1并联于电阻C3的两端；电阻R6的一端与使能芯片U3的引脚18连接，另一端与电源VCC连接。
所述单片机U1为AT89C52单片机；所述驱动芯片U2为L293D驱动芯片，是四路高电流双桥驱动器，芯片内部有四个高电流双桥电路，是直流电机专用使能芯片；所述直流电机为工作电压12V且带光电测速器的传感器(为光电码盘，光电码盘有两个光传感器)；所述按键调节模块包括正转按键key1、反转按键key2、加速按键key_add、减速按键key_dec和停止按键key3；所述使能芯片为8位数码管使能芯片MAX7221；所述显示器D1为7SEG-MPX4-CC四位八段共阴极数码管D1、显示器D2为7SEG-MPX4-CC四位八段共阴极数码管D2，分别显示直流电机的期望转速和实时转速；所述串口通信模块包括串口P1和上位机，串口P1为RS232，串口P1的引脚2和引脚3分别与单片机U1的引脚10、引脚11连接，用虚拟串口助手分配的一对已经连接好的串口连接串口P1与上位机。
实施例2
直流电机PWM调速方法，所述调速包括对直流电机的转向、转速和停止的调节控制；具体包括以下步骤：
1、对直流电机的转向、转速和停止的调控：
对直流电机转向的调节控制过程为：单片机U1接收按键调节模块或串口通信模块的指令后，在引脚39、引脚38上输出不同组合的信号控制驱动芯片U2的OUT1、OUT2间电流的流动方向，进而控制直流电机电枢端的电流方向，最终调节直流电机的正反转；
对直流电机转速的调节控制过程为：单片机U1接收按键调节模块或串口通信模块的指令后，在单片机U1的引脚37上输出经过调制的PWM波，然后用驱动芯片U2的EN1使能控制OUT1、OUT2间的电压，进而控制直流电机的转速；
所述按键调节模块指令包括正转、反转、加速、减速和停止，当按下正转按键key1时，单片机U1的引脚39、引脚38输出正转指令，驱动芯片U2加在直流电机电枢两端输出的电流方向为正，控制直流电机正转；按下反转按键key2时，单片机U1的引脚39、引脚38输出反转指令，驱动芯片U2加在直流电机电枢两端输出的电流方向改变，控制直流电机反转；当按下加速按键key_add或减速按键key_dec时，单片机U1的引脚37输出的PWM波占空比D％相应增加或减小，驱动芯片U2加在直流电机电枢两端输出的电压改变，直流电机电枢两端的有效电压改变，从而改变转速；当按下停止按键key3时，单片机引脚37～39均不输出，直流电机停止运转。流程如图2所示。
所述串口通信指令由上位机发送，上位机发送“1～5”分别表示正转、反转、加速、减速和停止，其功能与按键调节模块的控制一致。
所述PWM波的输出采用定时/计数器T1程序，具体如下：
全局变量count作为占空比初始值为50，全局变量time作为计数值初始值为0，当定时器T1计时结束，全局变量time加1，全局变量time与全局变量count进行比较，若time≦count，则PWM输出为高电平，若time≧count，则PWM输出为低电平，当全局变量time>100时，给全局变量time赋初始值0，如此就可输出一个完整的PWM波，占空比“count”的值由按键进行赋值，点击加速按键“count”值加10，点击减速按键“count”值减10，实现调制随“count”值变化占空比的PWM波。PWM波输出程序如图3所示。PWM波输出程序流程如图4所示。
2、对步骤1中调控信号的采集：由单片机U1的外部中断INT0与定时/计数器T0程序配合采集计算直流电机转速，单片机U1的外部中断INT0和外部中断INT1配合判断直流电机转向；
3、步骤2中采集到调控信号的显示：
转速：当单片机U1的外部中断INT0采集到高电平，全局变量num计数值加1(图5)；在定时/计数器T0程序中，定时一秒钟，根据外部中断INT0的num计数值计算直流电机实时转速(rad/s)并将转速各位数据送入显示器D2，即实时转速显示器的1～3位；根据PWM波占空比计算直流电机指定转速(rad/s)并将转速各位数据送入显示器D1，即指定转速显示器的1～3位(图6)；
转向：单片机U1的外部中断INT1在上升沿时，外部中断INT0采集到高电平，转向TURN＝0，表示直流电机正转，在定时/计数器T0程序中将“0”送入两个显示的最高位；外部中断INT1在上升沿时，外部中断INT0采集到低电平，转向TURN＝10，表示反转，在定时/计数器T0程序中将“-”送入两个显示器的最高位。外部中断INT1程序如图7所示，流程图如图8所示。
实施例3
系统测试：
以Proteus作为开发平台，搭建系统模型，并利用Keil 5和Proteus进行联合仿真实现直流电机速度加减调节、转向变换控制和启停运转。
直流电机的电压为12V，驱动电流为100mA，光电码盘每转48脉波，最大转速为500r/min。直流电机参数如图9所示。晶振频率设置为11.0592MHz，在Keil 5和Proteus软件中单片机的晶振频率设置如图10和图11所示。串口比特率设置为9800，虚拟串口调试软件分配一对已经连接的串口(com2、com3)，串口使用com3，上位机使用com2，如图12所示。
启/停控制：点击正转key1键控制直流电机正转，PWM波占空比为50％，直流电机初始速度为250r/min，其指定速度显示立即出现“0250”，表示直流电机正转其转速为250r/min，实时速度显示跟随直流电机速度变化，实时转速后三位从0逐渐与期望转速逼近(图13)。若按下反转key2键直流电机反转，速度显示如正转(图14)。按下停止key3键直流电机开始减速最终止停转动(图15)。
加/减速控制：在点击正转key1键或反转key2键直流电机开始转动，此时点击加速key_add键，PWM波占空比增加，直流电机速度开始上升。按下减速key_dec键直流，PWM波占空比下降，直流电机速度开始下降，其转速显示系统也跟随直流电机转速的变化而变化。每个速度上升或下降挡位速度阈值为25r/min，在加速、减速完成后可以进行正反转调节，也可停止。如图16所示。
上位机控制：上位机发送“1”，模拟正转key1按下，上位机发送“2”，模拟反转key2按下，上位机发送“3”，模拟加速key_add按下，上位机发送“4”，模拟减速key_dec按下，上位机发送“5”，模拟停止key3按下。上位机设置及其人机交互如图17所示。