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基于MCS-51单片机的直流小电机PWM调速设计

张家定，林幅严，崔宏月

（中国矿业大学（北京）100083）

摘要：本文首先简要介绍了直流小电机的脉宽调速方式，然后详细设计了基于MCS-51单片机的直流小电机脉宽调速的实现方法，此方法可实现直流小电机的7个速度级的调速功能，最后给出了调速程序框图。

关键词：PWM单片机直流电机

引言

直流电机脉冲宽度调制(PulseWidthModulation-简称PWM)调速产生于20世纪70年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等的驱动，后来由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展,PWM技术得到了高速发展,各式各样的脉宽调速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也都有了PWM输出功能。而MCS-51系列单片机作为应用最广泛的单片机之一，却没有PWM输出功能，本文采用定时器配合软件的方法实现了MCS-51单片机的PWM输出调速功能,这对精度要求不高的场合是非常实用的。

直流电机调速方式

由于电枢两端电压的变化可影响直流电机的转速，所以直流电机的调速控制比较容易实现。对于小型直流电机的调速控制方法是：先将电机启动一段时间，然后切断电源，由于电机转子具有惯性，所以将继续转动一段时间。在电机尚未停止转动之前，再次接通电源，于是电机再次加速。改变电机通断时间的比例，即可达到调速的目的。这种调速方法称为脉冲宽度调制调速，简称“脉宽调速”。如图1[1]：

图1调速方波与平均电压关系图

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设高电平脉冲宽度为t1，脉冲周期为T，则电机的平均速度可表示为：Vd=Vmax×D其中：D=t1/T，称为占空比

可以看出占空比越大，转速越高，反之，转速就越低。严格的讲，平均速度与占空比不是成严格的线性关系，但可近似的看成线性关系。对于特定的电机，其最大速度基本是确定的，因此控制平均速度就是要控制占空比。

直流电机调速的实现

(1)调速设计思想

驱动

驱动芯片

p1.0p1.1

单片机

图2直流电机控制示意图

这里利用定时计数器让单片机P1口的P1.0，P1.1脚输出方波，然后经驱动芯片放大后来控制直流小电机（图2），让P1口输出占空比不同的方波即可达到调速的目的。

一个电机由P1口的两根位线来控制。驱动芯片的输入电压实际上是两根位线的电压差，在调速时如果两根位线同时输出方波，它们之间的电压差控制起来就比较复杂。实际中是让其中一根位线长期为低电平，而另一根位线产生调速方波，这样两根位线的电压差就可通过控制其中一根位线来控制。当需要改变电机转动方向时，可以让输出低电平的位线输出方波，而让输出方波的位线一直输出底电平即可达到目的。

高电平个数方波周期定时计数器每中断一次，就使P1口控制位线（P1.0或P1.1）产生一个高电平或低电平。这里把直流小电机的速度级设为7个等级，由等级数来决定一个周期的高电平的总个数。按一个脉冲（包括高电平和低电平）为30ms来计算，一个方波周期7个脉冲（图3），周期即为210ms。占空比为高电平脉冲个数比上一个周期总的脉冲个数7。当高电平脉冲个数为1时，占空比为1/7，速度最低；当高电平脉冲个数为7时，占空比为1，相当于电机全速运

高电平个数方波周期

图3电机调速方波

在定时器中断服务程序中，先判断一个方波周期到否,如果到了就将P1口控置位线恢复为高电平；如果一个方波周期还没到，就判断高电平脉冲个数到否，到了就应该将输出电平置低，否则继续保持P1口控制位线为高，中断返回，等待下一次定时中断。这样P1口控制位线就输出了所需占空比的调速方波。

（2）定时/计数器工作方式及控制寄存器的设置

选用T0作为产生脉冲用的定时器并且使它工作在模式1下。在模式1中，寄存器TH0和TL0以全8位参与操作，构成一个16位定时/计数器，当TH0溢出时向中断标志位TF0进位，并申请中断。在这种模式下T0定时时间最长，有利于在更大的范围内对电机进行调速。

工作模式寄存器TMOD。格式如表1所示：

控制T1 控制T0

GATE

C/T

M1

M0

GATE

C/T

M1

M0

表1定时器工作模式寄存器TMOD

TMOD的高4位用于T1，低4位用于T0，4种符号含义如下：

GATE：门控位。

C/T：定时/计数器方式选择位。C/T=0为定时器方式，C/T=1时为计数器方式。M1M0：工作模式选择位,具体如下：

M1M0=00：模式0（13位定时/计数器）

M1M0=01：模式1（16