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中图分类号：TN108.7文献标识码：A 文章编号：
引言：脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，该技术广泛应用在测量、通信、功率控制与变换等许多领域中。作为一个具体的例子，我们来考察一种用PWM控制直流电机。要使电机的速度可调和方向可变，只需通过软件加大或减小PWM的占空比就可以改变。PWM技术在调压调速技术中的应用己基本普遍，调压调速技术的核心是脉冲宽度调制(PWM)控制技术。
（一）PWM直流调速的特点
PWM直流调速系统是强弱电均有、控制与信号处理结合、机电一体的综合性技术。既要处理巨大电能的转换，又要处理信息的收集、变换、传输和控制。因此结构上分为功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决基于控制技术和计算机技术的硬、软件开发问题。
（二）直流电动机的PWM调压调速原理
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1-1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1-1（b）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，开头管的动作重复前面的过程。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1-1（b）所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值U0为：U0=（t1US+0）/(t1+t2)= t1 US/T=a US(式 1－1)
式中a—占空比，a= t1/T 。
图1－1
占空比a表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值，a的变化范围为0≤a≤1。由式（1-1）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取习决于占空比a的大小，改变a的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调速的原理。
在PWM调速时，占空比a是一个重要参数。以下3种方式都可以改变占空比的值。
（1）定宽调频法：这种方法保持t1不变，只改变t2，这样使周期T（或频率）也随之改变。
(2)调频调宽法：这种方法是保持t2不变，只改变t1，这样使周期T（或频率）也随之改变。
（3）定频调宽法：这种方法是使周期T（或频率）保持不变，而同时改变t1 和t2。
前两种方法由于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，因此这两种方法用得很少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。这也是本设计中调压所采用的方法。
（三）直流调速系统方案选择
1、PWM产生的硬件方案选择
PWM控制波形的实现可以通过模拟电路或数字电路实现，例如用555搭成的触发电路，但是，这种电路的占空比不能自动调节，所以不适合于本电路。根据调节电路设计思路，至少要产生两路可变的PWM。考虑到可靠性和成本，在设计中选择用单片机产生PWM，则PWM的周期和占空比都可根据软件改变，产品设计的扩展空间大。本系统采AtmelAT89系列单片机。
2、PWM驱动电路的方案设计
可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转。采用集成驱动电路模块实现电动机驱动调速。适用于驱动小功率的电机，常用芯片包括LG9110、L293、L298等。本系统是小功率的直流电机因而采用双极模式PWM方案。T型双极性驱动由于开关管要承受较高的反向电压，因此一般采用H型双极性驱动考虑到可靠性、开发周期等方面的因素，本设计采用L298实现电动机驱动调速。
（四）方案实现
下面我们就根据设计要求画出系统原理图：如下图1-1
1-1 系统总的原理图
1、硬件部分
功率驱动电路的设计：由单片机产生的两路PWM信号分别输入到L298的IN1, IN2, IN3, IN4端用来确定电机绕组的电压方向。另外单片机的两个输出端口P1.1,P1.3控制EnA, EnB用以控制L298通断。由单片机的定时，计数器产生PWM信号输入到L298控制电机的平均电压。Vs为12V功率电压。八个大功率二极管在这里起续流和保护作用。本系统要求信号源的频率和占空比两种数字显示，因此设置了拔码开关，拔码开关接单片机的P1.6,P1.7口，当拔码开关为在原始位置时P1.6,P1.7为高电平，数码管显示频率。当拔码开关往上拔时数码管显示占空比。因为要求占空比和频率可调，则设了两个按钮开关，一个增大占空比和频率，一个减小占空比和频率。
2、软件设计
以下采用了C语言编程的方法。
（1）软件编程
根据PWM产生的原理，利用AT89S52的定时器0和定时器1进行定时，使之产生PWM信号源。以下是使用定时计数器0、1，产生PWM信号的C程序：
void timer_1(void) interrupt 3
{
TH1=y;TL1=x;
p1_0=1;
TR0=1;
}
void timer_0(void) interrupt 1
{
TH0=k;TL0=w;
p1_0=0;
TR0=0;
}
本设计用的是定时工作方式1 ，因为频率是可调的，我们先设频率为1KHZ，根据单片机的振荡频率12KHZ，所以根据下面公式可以计算出计数初值
（216—计数初值）*晶振周期*12=定时时间
以下是用C语进行初值的设定：
t1=10;t2=1000;
t5=10;t6=1000;
t3=65536-t1;
t4=65536-t2;
k=t3>>8;w=t3&0xff;
y=t4>>8;x=t4&0xff;
TH0=k;TL0=w;
TH1=y;TL1=x;
本设计的占空比与频率可调，利用按钮实现对单片机的外部中断0与1的中断，进入中断后，对于占空比的增大与减小用了定频调宽的方法，即改变t1的值，而t2不变，从而实现了改变占空比调速的目的。
加大占空比程序如下：
if(p17==0)
{
if(percent1>=990)
goto loop;
t1=t1+t2/100;
tiaozheng();
loop:;
减小占空比也是相同的道理。
对于频率的可调，是利用了定宽调频的方法，保持t1不变而改变t2的值，并把t1的值给t5,t的值给t7，使之占空比不变而又达到调频的目的。减小频率程序如下：
if(p17==1)
{
if(t6<=200)
goto loop2;
t6=t2-100;
t5=(t1*(t2-100))/t2;
t1=t5;
t2=t6;
tiaozheng();
loop2:
;
}
}
（五）仿真
本系統的程序采用Keil C51开发系统完成，利用该系统提供的C51编译器和BL51连接器，我们可以把C语言生成的源程序编译连接成目标代码HEX文件，利用SLISP软件将程序下载到单片机上，从而实现了在线下载。
（六）总结
经过实际调试运行，PWM信号源的硬件电路、软件程序的设计基本符合控制要求，并能较好地完成电机的调速。作为一个信号源，PWM的频率可调，适用于不同频率产品中的调压。总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是值得我们在许多设计应用中使用的有效技术。
引言：脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，该技术广泛应用在测量、通信、功率控制与变换等许多领域中。作为一个具体的例子，我们来考察一种用PWM控制直流电机。要使电机的速度可调和方向可变，只需通过软件加大或减小PWM的占空比就可以改变。PWM技术在调压调速技术中的应用己基本普遍，调压调速技术的核心是脉冲宽度调制(PWM)控制技术。
（一）PWM直流调速的特点
PWM直流调速系统是强弱电均有、控制与信号处理结合、机电一体的综合性技术。既要处理巨大电能的转换，又要处理信息的收集、变换、传输和控制。因此结构上分为功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决基于控制技术和计算机技术的硬、软件开发问题。
（二）直流电动机的PWM调压调速原理
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1-1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1-1（b）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，开头管的动作重复前面的过程。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1-1（b）所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值U0为：U0=（t1US+0）/(t1+t2)= t1 US/T=a US(式 1－1)
式中a—占空比，a= t1/T 。
图1－1
占空比a表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值，a的变化范围为0≤a≤1。由式（1-1）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取习决于占空比a的大小，改变a的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调速的原理。
在PWM调速时，占空比a是一个重要参数。以下3种方式都可以改变占空比的值。
（1）定宽调频法：这种方法保持t1不变，只改变t2，这样使周期T（或频率）也随之改变。
(2)调频调宽法：这种方法是保持t2不变，只改变t1，这样使周期T（或频率）也随之改变。
（3）定频调宽法：这种方法是使周期T（或频率）保持不变，而同时改变t1 和t2。
前两种方法由于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，因此这两种方法用得很少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。这也是本设计中调压所采用的方法。
（三）直流调速系统方案选择
1、PWM产生的硬件方案选择
PWM控制波形的实现可以通过模拟电路或数字电路实现，例如用555搭成的触发电路，但是，这种电路的占空比不能自动调节，所以不适合于本电路。根据调节电路设计思路，至少要产生两路可变的PWM。考虑到可靠性和成本，在设计中选择用单片机产生PWM，则PWM的周期和占空比都可根据软件改变，产品设计的扩展空间大。本系统采AtmelAT89系列单片机。
2、PWM驱动电路的方案设计
可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转。采用集成驱动电路模块实现电动机驱动调速。适用于驱动小功率的电机，常用芯片包括LG9110、L293、L298等。本系统是小功率的直流电机因而采用双极模式PWM方案。T型双极性驱动由于开关管要承受较高的反向电压，因此一般采用H型双极性驱动考虑到可靠性、开发周期等方面的因素，本设计采用L298实现电动机驱动调速。
（四）方案实现
下面我们就根据设计要求画出系统原理图：如下图1-1
1-1 系统总的原理图
1、硬件部分
功率驱动电路的设计：由单片机产生的两路PWM信号分别输入到L298的IN1, IN2, IN3, IN4端用来确定电机绕组的电压方向。另外单片机的两个输出端口P1.1,P1.3控制EnA, EnB用以控制L298通断。由单片机的定时，计数器产生PWM信号输入到L298控制电机的平均电压。Vs为12V功率电压。八个大功率二极管在这里起续流和保护作用。本系统要求信号源的频率和占空比两种数字显示，因此设置了拔码开关，拔码开关接单片机的P1.6,P1.7口，当拔码开关为在原始位置时P1.6,P1.7为高电平，数码管显示频率。当拔码开关往上拔时数码管显示占空比。因为要求占空比和频率可调，则设了两个按钮开关，一个增大占空比和频率，一个减小占空比和频率。
2、软件设计
以下采用了C语言编程的方法。
（1）软件编程
根据PWM产生的原理，利用AT89S52的定时器0和定时器1进行定时，使之产生PWM信号源。以下是使用定时计数器0、1，产生PWM信号的C程序：
void timer_1(void) interrupt 3
{
TH1=y;TL1=x;
p1_0=1;
TR0=1;
}
void timer_0(void) interrupt 1
{
TH0=k;TL0=w;
p1_0=0;
TR0=0;
}
本设计用的是定时工作方式1 ，因为频率是可调的，我们先设频率为1KHZ，根据单片机的振荡频率12KHZ，所以根据下面公式可以计算出计数初值
（216—计数初值）*晶振周期*12=定时时间
以下是用C语进行初值的设定：
t1=10;t2=1000;
t5=10;t6=1000;
t3=65536-t1;
t4=65536-t2;
k=t3>>8;w=t3&0xff;
y=t4>>8;x=t4&0xff;
TH0=k;TL0=w;
TH1=y;TL1=x;
本设计的占空比与频率可调，利用按钮实现对单片机的外部中断0与1的中断，进入中断后，对于占空比的增大与减小用了定频调宽的方法，即改变t1的值，而t2不变，从而实现了改变占空比调速的目的。
加大占空比程序如下：
if(p17==0)
{
if(percent1>=990)
goto loop;
t1=t1+t2/100;
tiaozheng();
loop:;
减小占空比也是相同的道理。
对于频率的可调，是利用了定宽调频的方法，保持t1不变而改变t2的值，并把t1的值给t5,t的值给t7，使之占空比不变而又达到调频的目的。减小频率程序如下：
if(p17==1)
{
if(t6<=200)
goto loop2;
t6=t2-100;
t5=(t1*(t2-100))/t2;
t1=t5;
t2=t6;
tiaozheng();
loop2:
;
}
}
（五）仿真
本系統的程序采用Keil C51开发系统完成，利用该系统提供的C51编译器和BL51连接器，我们可以把C语言生成的源程序编译连接成目标代码HEX文件，利用SLISP软件将程序下载到单片机上，从而实现了在线下载。
（六）总结
经过实际调试运行，PWM信号源的硬件电路、软件程序的设计基本符合控制要求，并能较好地完成电机的调速。作为一个信号源，PWM的频率可调，适用于不同频率产品中的调压。总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是值得我们在许多设计应用中使用的有效技术。