用于太陽能發(fā)電的直流電機PWM調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計研究

楊晨 馬麗麗 蘇陽 張永鵬

【摘要】太陽能發(fā)電的應(yīng)用越來越廣泛。本文研究了利用STC89C52系列單片機控制PWM信號，通過軟件編程對PWM信號占空比進行調(diào)節(jié)，控制其輸入信號波形。采用驅(qū)動模塊芯片L2989N作為直流電機調(diào)速功率放大電路的元件，設(shè)計將PWM的占空比輸出顯示在LED數(shù)碼顯示管上。通過按鈕控制占空比，從而實現(xiàn)對直流電機速度的控制。軟件方面，提出PWM信號產(chǎn)生程序與數(shù)碼顯示程序的建立方法，以及具體的程序?qū)崿F(xiàn)，在Proteus上仿真成功之后，最終將實物連接調(diào)試出來。結(jié)果表明該控制系統(tǒng)具有簡單方便、快速響應(yīng)、性能良好、魯棒性強的特點。

【關(guān)鍵詞】單片機控制;PWM信號;驅(qū)動模塊;占空比;數(shù)碼顯示管;Proteus仿真

1.引言

直流電動機調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機調(diào)速技術(shù)又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。PWM控制技術(shù)以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點。本文利用太陽能發(fā)電的直流電能，單片機控制PWM信號，通過軟件編程對PWM信號占空比進行調(diào)節(jié)，控制其輸入信號波形。采用驅(qū)動模塊芯片L2989作為直流電機調(diào)速功率放大電路，將PWM的占空比輸出顯示在LED數(shù)碼顯示管上。通過按鈕控制占空比，從而實現(xiàn)了對直流電機速度的控制。在Proteus上仿真成功之后，最終將實物連接調(diào)試出來。設(shè)計的系統(tǒng)具有簡單方便、快速響應(yīng)、性能良好、魯棒性強的特點。

2.系統(tǒng)總體及硬件設(shè)計

2.1 總體設(shè)計方案及選擇

在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計方案采用單片機輸出PWM信號。用單片機控制占空比的數(shù)值，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

本系統(tǒng)采用單片機控制輸出PWM信號，經(jīng)過驅(qū)動電路將信號送到直流電機，通過控制PWM輸出占空比，從而實現(xiàn)對電機速度和轉(zhuǎn)向的控制，達到直流電機調(diào)速的目的[1]。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.3 硬件選擇設(shè)計

設(shè)電機始終接通電源時，D為占空比，t1為導(dǎo)通時間，T為周期，設(shè)占空比為：

D=t1/T ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

則電機的平均速度為：

Vd=Vmax*D ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中Vd指的是電機的平均速度，Vmax是指電機在全通電時的最大速度，D=t1/T是指占空比。

本設(shè)計中通過單片機輸出當(dāng)前的占空比，在數(shù)碼顯示管中顯示出來。由于占空比是0%～100%所以應(yīng)該有三位數(shù)值，但是也可以有兩位數(shù)碼顯示：0%～99%。由于電機的正反轉(zhuǎn)也應(yīng)該在數(shù)碼顯示中體現(xiàn)出來，可以加一位符號顯示，即“+”“-”來分別表示電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。但是最后考慮到實際的空間因素，選定了兩位數(shù)碼顯示管，顯示從0～99。然后通過控制兩位小數(shù)點的同時點亮與熄滅來分別代表電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。兩位共陰顯示管。

選用LG5022AH數(shù)碼管顯示和STC89C52單片機。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V;輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A;額定功率25W。STC89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用[2]。

圖2 系統(tǒng)總體電路圖

經(jīng)過單片機發(fā)出的PWM信號，通過L298N驅(qū)動電路最后驅(qū)動直流電機。將L298N的OUT1與OUT2連接在直流電機的兩端，然后為了方便觀察電機的轉(zhuǎn)向，在電機的兩側(cè)并聯(lián)兩個方向不同（分別代表正、反轉(zhuǎn)向）且顏色不一（紅、綠）的LED小燈泡[3]。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計和仿真及分析

本設(shè)計的主程序主要思路是，通過按鈕增大或減小設(shè)定好占空比，并且在數(shù)碼顯示管上顯示該占空比，當(dāng)占空比增加或減小過零后，待到電機工作穩(wěn)定后，改變轉(zhuǎn)向，穩(wěn)定之后直流電機工作在此占空比對應(yīng)的速度，進而控制電機的轉(zhuǎn)速，控制過程中電機速度的變化可以根據(jù)LED燈的變化趨勢明顯得到。

系統(tǒng)主程序

#include "reg52.h"

#include

sbit P1_0=P1^0;

sbit P1_7=P1^7;

void PWM（int k）

{

int m;uchar n;

k=k*5;

if（k>=0）

{

for（n=0;n<10;n++）

{

for（m=0;m

}

main（）

{

while（1）

{

PWM（Rn）;

if（key1==1）

{

Rn++; ? if（Rn>99） Rn=99;

if（Rn>=0）

{ q1=（Rn/10）%10;

w1=（Rn%10）;

P2=start_code1[q1];

P3=start_code1[w1];

}

q1=（RRn/10）%10;

w1=（RRn%10）;

P2=start_code2[q1];

P3=start_code2[w1];

}

Proteus軟件不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。在Proteus中根據(jù)所設(shè)計的系統(tǒng)電路圖，搭建好電路。調(diào)試運行，仿真成功，并且測出輸出波型[4]。

圖3 Proteus仿真輸出波形

4.實物搭建

硬件電路的搭建按照仿真及設(shè)計方案進行。直流電機PWM輸出的信號一般比較小，不能直接去驅(qū)動直流電機，它必須經(jīng)過功放后再接到直流電機的兩端。該實驗裝置中采用直流15V的直流電壓功放電路驅(qū)動。直流電機選用額定電壓為220V，額定轉(zhuǎn)速為1600r/min，額定電流為1.2A，實物連接如圖4所示。

圖4 實物連接圖

通過仿真波形，可以看到與理論分析基本一致。通過仿真和硬件電路實現(xiàn)了提出的設(shè)計要求，理論分析的正確性，仿真波形的合理性，實際的應(yīng)用性。

5.結(jié)論

利用直流調(diào)速系統(tǒng)理論、PWM控制技術(shù)、單片機知識、仿真軟件在Proteus 平臺中建立了直流電機PWM控制系統(tǒng)的仿真模型，搭建了設(shè)計的實際電路。

參考文獻

[1]陳錕，危立輝.基于單片機的直流電機調(diào)速器控制電路[J].中南民族大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003，22（3）：43-45.

[2]李廣弟，朱月秀，冷祖祁.單片機基礎(chǔ)[M].北京航空航天大學(xué)出版社（第三版），2009.

[3]黃偉鋒，吳麗宏.基于單片機的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J].機電工程技術(shù)，2010，39（12）：74-76.

[4]仝慶華.基于Proteus單片機虛擬實驗室，山西大同大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）[J].2009，25（2）：23-25.