基于L298的直流电机调速控制
2 设计方案选择
2.1直流电机的调速方法
直流电机是人类最早发明和应用的一种电机，与交流电机相比，直流电机因结构复杂、维护困难、价格较贵等因素制约了他的发展，应用不如交流电机广泛，但是，因为直流电机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中占有一席之地。直流电机的结构原理图如图1-1所示：
图2-1直流电机结构原理图
虽然不同励磁方式的电机机械特性不同，但他们的转速都是由公式
n?Ua?RaIa (2-1) CE?计算而得,式中 Ua—电枢供电电压（V）； Ia——电枢电流（A）； Φ——励磁磁通（Wb）； Ra——电枢回路总电阻（Ω）；CE——电势系数?3?。
CE?pN （2-2） 60a其中p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。 由式可见，直流电动机的调速方法可以分为 1.电枢回路串电阻的调速方法， 2.调节励磁磁通的励磁控制方法, 3.调节电枢电压的电枢控制方法。
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在上述三种方法中，电枢回路串电阻后机械特性变软，系统转速受负载波动的影响较大，空载和轻载时能够调速的范围非常有限。另一方面，因调速电阻容量较大，一般多采用电器开关分级控制，不能连续调节，只能有级调速。同时所串的调速电阻上通过很大的电枢电流，会产生很大的功率损耗，转速越低。需串入的电阻值越大，损耗越大，这样使电动机的效率大为降低。该方法多用于对调速性能要求不高，而且不经常调速的设备上；励磁控制方法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时，转速越高，换向越困难。电枢反应和换向元件中电流的去磁效应对于转速稳定性的影响较大，并且励磁线圈的电感较大，系统的动态响应较差。调节电枢电压的电枢控制方法一般不超过额定电压Ua。所以只能在低于额定转速的范围进行调节。在降低电枢端电压时，电动机的机械特性硬度不变，转速受负载波动的影响较小，速度的稳定性好，而且不管拖动哪一类负载，只要电压可以连续调节，系统的转速就可以连续变化，该方法可以实现无级调速，多用于对 调速性能要求较高的设备上。在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中．目前广 泛应用的是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值f(占空比)来控制电机的转速。这种方法称为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)即PWM控制. 这里我采用了第一种改变电机两端电压的方法，采用脉冲控制PWM，改变占空比，从而改变电机两端电压，调节转速?4?。
2.2 PWM调速方式
PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率,改变负载两端的电压，从而达到直流电机调速的一种方法。PWM调速可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。
占空比就是输出的PWM中，高电平保持的时间与该PWM的时钟周期的时间之比。例如，一个PWM的频率是1000Hz，那么它的时钟周期就是1ms，就是1000us，如果高电平出现的时间是200us，那么低电平的时间肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是说PWM的占空比就是1：5。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图1-2所示：
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图2-2 PWM方波
占空比的公式为D?t1,其中t1为一个周期内开关导通（即高电平）的时间，TT为一个周期。占空比D表示了在一个周期里，开关管导通的时间与周期的比值，变化范围为0≤D≤1。当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值为
VD?Vmax?D，因此改变占空比D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调速原理?5?。
而改变占空比D的值有三种方法：调宽调频法：保持t不变，只改变t1，这样使周期(或频率)也随之改变。定宽调频法：保持t1不变，只改变t，这样使周期(或频率)也随之改变。定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变t1和t。 调宽调频法和定宽调频法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，使电路不稳定。因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。
2.3基于L298的调速方案设计
由上所述，我选择的基于L298的直流电机调速控制方案为：利用AT89C51单片机进行核心控制，因为它的控制功能强、可靠性高、易扩展、成本低、市场上较为普遍。由L298芯片组成的驱动模块，因为L298N电机驱动芯片是一种高电压、大电流电机驱动芯片，可以直接通过电源来调节输出电压；并可以直接用单片机的I/O口提供信号；并且驱动电路简单，使用方便，它的Pin1 和Pin15 可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路； OUT1、OUT2 和OUT3、OUT4 之间分别接2 个步进电机；input1-input4 输入控制电位来控制电机的正反转；Enable 则控制电机停转，对于本设计直流电动机的驱动，完全满足于需要。由LCD1602作为显示模块，它可以显示大小英文字母、符号，而本设计中要显示
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字母。 由四个独立按键作为按键模块，因为它的结构简单、方便可靠，适合于按键比较少的情况。由C语言程序驱动单片机运行，分别在按下加速、减速、停止、反转键来实现电机的调速。其结构模块如下图所示：
运行
方式
设置
单片L298驱动模块 电机 机控L298驱动模块 制模 块 LCD1602显示模块 图2-3结构模块图
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3 硬件电路的设计
3.1 L298N驱动模块
L298N是SGS-THOMSON Microelectronics所出产的全桥步进电机专用驱动芯片,内部包含四信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，接受标准的TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机。该芯片具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。可以直接通过电源来调节输出电压；此芯片可以直接用单片机的I/O口提供模拟时序信号，电路简单，使用方便。L298N的引脚如图3-1所示，外形图如3-2所示，输入输出端如图3-3所示。Pin1和Pin15可与电流侦测电阻连接来控制负载的电路；OUT1、OUT2、和OUT3、OUT4之间分别接两个电机；input1-input4输入控制电位来控制电机正反转；Enable则控制电机停转?6?。
图3-1 L298N引脚图
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