直流电动机的PWM调压调速原理

直流电动机转速N的表达式为：N=U-IR/Kφ

由上式可得，直流电动机的转速控制方法可分为两类：调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法。其中励磁控制方法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制方法。

对电动机的驱动离不开半导体功率器件。在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体器件的使用上又可分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。

线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的优点是：控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小；但是功率器件在线性区工作时由于产生热量会消耗大部分电功率，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于微小功率直流电动机的驱动。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。

在PWM调速时，占空比α是一个重要参数。以下3种方法都可以改变占空比的值。

（1）定宽调频法

这种方法是保持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。

直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统

双极性驱动则是指在一个PWM周期里，作为在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。

双极性驱动电路有两种，一种称为T型，它由两个开关管组成，采用正负电源，相当于两个不可逆控制系统的组合。但由于T型双极性驱动中的开关管要承受较高的反向电压，因此只用在低压小功率直流电动机驱动。

另一种称为H型。

H型双极性驱动

1、电动机控制电路模块

H桥电动机驱动电路的工作原理：

A：当单片机的P0.0脚输出高电平，而P0.1脚输出低电平时，通过光电耦合器后仍然输出为高电平，使Q4管导通，此时Q1也处于导通状态，但Q2管的基极的电位被强行拉低，Q2管处于截止状态。由于单片机的P0.1脚输出低电平，

Q8处于截止状态，而此时Q7因为Q5的截止而处于导通状态，从而使电动机形成回路，电机正常工作。

B：同理可得，当P0.0脚输出低电平，而P0.1脚输出高电平时，三极管的状态与上述相反，电机同样处于正常工作状态。

C：当P0.0脚和P0.1同时为高电平或低电平，由于Q4与Q8和Q3与Q7的工作状态相同，同时处于导通或截止，使电机两断电位相同，无法使电机形成闭和回路，电机不工作，着就是所谓本设计所提及的刹车状态。

由于电路中在驱动功率管的发射极各添加了一个小电感，目的是为了使电机驱动电压更加稳定，得到较为平滑的驱动电压，从而增加了刹车时动作的准确性，减少电机的在起动和停止的瞬间产生过大的电压对功率管的冲击，导致功率管的损坏。同时也提高了电机的刹车控制可靠性和准确性，不至于因惯性而导致控制上产生较大的误差。

该桥的优点是电路的原理简单、易控制、功耗低带负载能力强、刹车的精度很高而且价格低廉。在驱动电路的控制信号输入断采用了光电隔离技术，减小H桥电机驱动电路对单片机的干扰，实现模拟电路与数字电路的隔离。在单片机的配合下，通过PWM调节脉宽的方法，实现了对驱动电机的轻松调速，通过键盘的配置可以对体的参数进行修改，可以使电机适应各种不同的工作状态，而实现智能控制的目的。正因为采取了PWM该技术，使我们完成基本要求的过程变得简单易行。

在电路中所采取的功率管为中功率管，其中将驱动功率管设计为灵活替换方式，可以根据实际驱动电路的需要，从而调整功率管的型号而不用另行更改电路，就可以满足电路控制的要求

2、软件模块部分

在速度控制方面，一般是能通过改变加在电机两端的电压来实现的，可以是连续改变（加直流电压），也可以是断续改变（加脉冲电压）。为了简单用，我们采用了脉宽调速，脉宽的变化可以通过硬件或软件来实现。

方案一 硬件实现是通过改变振荡电路中RC参数来调整充放电时间。若用硬件电路来实现，在稳定性方面得不到保证。

方案三 用软件的作法是通过设置高电平及低电平的保持时间来达到PWM的脉宽调制目的。

就比较而言，软件调整量化指标更高、调整更可靠、更方便、更准确。因此在设计时，常考虑方案二。

脉冲频率对电机转机也有影响，脉冲频率高连续性好，但带负载能力差，频率低则反之。经实验发现，脉冲频率在15━20HZ效果最佳。在本设计中采用了20HZ进行设计。

脉冲调速实质上是调节加在电机两端的平均功率，通过计算可发现电机的速度与脉宽成正比。

软件编程的考虑是设置脉宽这个变量。在P0.0，P0.1的输出控制信号来产生20HZ可调脉宽方波。

下面是51单片机的实验程序

#include < reg51.h >
#include < intrins.h >
sbit  K1 =P1^4 ;                    //增加键
sbit  K2 =P1^5 ;                    //减少键
sbit  P00 =P0^1;
sbit  BEEP =P3^7 ;                //蜂鸣器
unsigned char PWM=0xe7;   //赋初值
void Beep();
void delayms(unsigned char ms);
void delay(unsigned char t);
/*********************************************************/
void main()
{
     P1=0xff;
    TMOD=0x21 ;
    TH0=0xff ;             //50us延时常数
    TL0=0xce ;            //频率调节
    TH1=PWM ;            //脉宽调节
    TL1=0 ;
     EA=1;
     ET0=1;
     ET1=1;
     TR0=1 ;
   while(1)
   {
     do{
            if(PWM!=0xff)
           {PWM++ ;delayms(10);}
           else Beep() ;
         }
     while(K1==0);
     do{
           if(PWM!=0xce)
          {PWM-- ;delayms(10);}
           else Beep() ;
          }
     while(K2==0);
   }
}
void timer0() interrupt 1
{
    TR1=0 ;
    TH0=0xff ;
    TL0=0xce ;
    TH1=PWM ;
    TR1=1 ;
    P00=0 ;      //启动输出
}
void timer1() interrupt 3
{
    TR1=0 ;
    P00=1 ;     //结束输出
}
/*********************************************************/
//蜂鸣器子程序
/*********************************************************/
void Beep()   
  {
      unsigned char i  ;
      for (i=0  ;i<100  ;i++)
        {
          delay(100)  ;
          BEEP=!BEEP  ;                //Beep取反
        }
     BEEP=1  ;                            //关闭蜂鸣器
     delayms(100);
  } 
/*********************************************************/
// 延时子程序
/*********************************************************/
void delay(unsigned char t)
 {
    while(t--)   ;
 }
/*********************************************************/
// 延时子程序
/*********************************************************/
void delayms(unsigned char ms)
{
    unsigned char i ;
    while(ms--)
     {
        for(i = 0 ; i < 120 ; i++) ;
     }
}
/*********************************************************/

本51项目基于STC89C52MCU，温度传感器为DS18B20，显示模块用的是LCD1602，无线模块用的是Nodemcu。

项目用到的编程语言：C,C++,Lua。

实现思路是这样，DS18B20测温，然后数据串行传送给51单片机，然后51通过串口将数据传送给Nodemcu,Nodemcu通过其WIFI模块将数据发送给上位机，上位机上的程序是用Qt编写的GUI。（这里无线传输采用的是无连接的UDP协议）

1. DS18B20温度测量模块

DS18B20是单总线器件，所以时序要求非常严格，程序编写时注意时序，否则读不出温度。DS18B20有寄生供电和单独供电，这里采用单独供电方式。

它的驱动程序如下：

#include"Temp.h"
void delay1ms(unsigned int y)
{
unsigned int x;
for( ; y>0; y--)
{
for(x=110; x>0; x--);
}
}

void Init18b20(){
int i;
DQ=0;
i=60;
while(i--);   //10us左右，一共延时60*10=600us左右。
DQ=1;

while(DQ)
{
i=1;
while(i--); 
}
}

void Writeonebyte(unsigned char ins){
int i=0;
int j=0;
for(i=0;i<8;i++){
DQ=0;
j++;                   //延时1us
DQ=0x01&ins;   //写0或者1，写完以后保持，15us内DS18B20会来采集数据。
j++;
j=6;
while(j--);           //一个写周期至少60us。
DQ=1;                //释放数据线
  ins=ins>>1;      //写下一位数据
}
}

unsigned char Readonebyte(){
int i=0;
int j=0;
unsigned char bi, byte;
for(i=0;i<8;i++){
DQ=0; 
j++;
DQ=1;              //拉低1us后释放，给一个准备读的信号
j++;
j++;
bi=DQ;             
byte=(byte>>1)|(bi<<7);    //读取8位数据
j=5;
while(j--);
}
return byte;
}

void Tempconvert(){
Init18b20();
delay1ms(1); 
Writeonebyte(0xcc);
Writeonebyte(0x44);
}

void Readrom(){
Init18b20();
delay1ms(1);
Writeonebyte(0xcc);
Writeonebyte(0xbe);
}

int Readtemp(){
int temp;
unsigned char tml,tmh;
Tempconvert();
Readrom();
tml=Readonebyte();
tmh=Readonebyte();
temp=tmh;
temp=temp<<8;
temp=temp|tml;
return temp;
}

头文件

#include"reg52.h"
sbit DQ=P1^0;
void Init18b20();
void Writeonebyte(char ins);
unsigned char Readonebyte();
void Tempconvert();
void Readrom();
int Readtemp();
void delay1ms();

2.LCD1602显示模块

这个模块比较简单，注意时序，然后初始化函数里面不要写清屏指令，以免显示的数据一直闪烁。

#include"lcd1602.h"
char init[]="Temp ";
void delay1ms()   //误差 -0.651041666667us
{
    unsigned char a,b;
    for(b=102;b>0;b--)
        for(a=3;a>0;a--);
}

void delay5ms()   //误差 -0.000000000001us
{
    unsigned char a,b;
    for(b=15;b>0;b--)
        for(a=152;a>0;a--);
}
void writecom(int com){
E=0;
RS=0;
RW=0;
P0=com;     //并行送数据
delay1ms(); //送完后保持一下 使其稳定
E=1;           //拉高，让数据发送
delay5ms();
E=0;
}
void writedat(char dat){
E=0;
RS=1;
RW=0;
P0=dat;
delay1ms();
E=1;
delay5ms();
E=0;
}
void lcdinit(){
int i=0;
delay1ms();
writecom(0x06);
writecom(0x0c);
delay1ms();
writecom(0x38);
writecom(0xc3);
for(i=0;i<5;i++)
writedat(init[i]);
}

头文件

#include<reg52.h>
sbit RS=P2^0;
sbit RW=P2^1;
sbit E=P2^2;
void delay1ms();
void delay5ms();
void lcdinit();
void writecom(int com);
void writedat(char dat);

3.Nodemcu模块

手里只有这个MCU，没有ESP8266。其实差不多，Nodemcu就是一个ESP8266的小系统板，然后将一些资源进行二次封装，然后用Lua语言开发。如果是单独的ESP8266模块，就用串口 AT指令调试。 相同的是一开始都要烧固件进去，固件可以自己选，模块都在github上。这个Nodemcu三种工作方式 STA ,AP,STA+AP。 STA模式就是可以像手机一样接到你的路由器上，然后你可以用你的手机电脑通过网络来操纵。AP就是这个模块成为一个热点，你手机电脑可以连接上这个热点，这种方式适用于局域网。STA+AP是都可以的。

本次项目使用STA模式。

代码如下

print('Setting up WIFI...')
wifi.setmode(wifi.STATION)
wifi.sta.config('AP', 'SSID')
wifi.sta.connect()

tmr.alarm(1, 1000, tmr.ALARM_AUTO, function()
    if wifi.sta.getip() == nil then
        print('Waiting for IP ...')
    else
        print('IP is ' .. wifi.sta.getip())
    tmr.stop(1)
    end
end)

cu=net.createConnection(net.UDP, 0)
cu:connect(9999,"ip")
cu:on("receive",function(cuk,c) print(c) end )

uart.setup(0,9600,8,0,1,0)
uart.on("data",
function(data)
print("receive from uart:", data) 
cu:send(data)
end, 0)

这里要注意的是你烧进去的第一个程序，名字必须是init.lua 它上电是从这个文件开始执行的。

最后一点

各个模块的组合，即C语言主函数如下

#include"Temp.h"
#include"lcd1602.h"
#include<reg52.h>
void dlay1ms(int y)
{
int x;
for( ; y>0; y--)
{
for(x=110; x>0; x--);
}
}
void Serialinit(){
TMOD=0x20;
TH1=0XFD;
TL1=0XFD;
TR1=1;
SCON=0x50;    //配置好串口，这里波特率为9600. 只用定时器和串口，不用中断。
}

char list[11]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','.'};
char value[4];
int i=0;

void Datapros(int temp){
float fp;
fp=temp;
temp=fp*0.0625*100;     //注意 0.0625*temp是温度，但是乘出来的可能是带小数部分的，你要先把temp变成带小数的，再乘0.0625，否则乘出来的小数部分就被类型转换截掉了。
value[0]=list[temp/1000];
value[1]=list[temp%1000/100];
value[2]=list[10];
value[3]=list[temp%100/10];      //显示一位小数，这种显示算法对数码管也通用。
}

void Lcddisplay(){
lcdinit();
writedat(value[0]);
dlay1ms(20);
writedat(value[1]);
dlay1ms(20);
writedat(value[2]);
dlay1ms(20);
writedat(value[3]);
dlay1ms(20);
}

int main(){
Serialinit();
while(1){
Datapros(Readtemp());
Lcddisplay();
for(i=0;i<4;i++)
{
SBUF=value[i];    //启动串口传输，51单片机的TXD RXD接到Nodemcu上的TX RX上。
while(!TI);
TI=0;
}
}
}

上位机界面用Qt编写。

代码就不贴出来了。效果图已经上传。

整个项目做完以后的总结与不足。

总结：DS18B20时序一定要特别注意。Lcd如果添加了清屏指令，显示温度会闪烁。Nodemcu第一个程序名一定是init.lua。烧写工作有好几种，自己选择。Lua语言需要了解一下，Nodemcu的API需要了解一下。然后就是Qt写的GUI，里面用到的UDP协议，端口和IP要对应好，不然接收不到数据。

不足： DS18B20可以用寄生方式供电，这个我不是很了解，下次可以尝试寄生供电方式工作，这个适合远距离测温。无线数据传说部分可以用更可靠的TCP协议来传输，这个必须要会，下次会尝试使用这个协议来编写上位机程序。采集到的温度没有进行处理，只用来显示了，希望在学习数据库以后加入数据的存储筛选功能。