张平：数字式直流电机控速系统设计
第三章 电路设计
3.1 PWM信号发生电路
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
3.1.1 PWM的基本原理
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，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM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。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。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，从而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3-1所示：
100ms H0 L
图3-1 PWM方波
- 6 -
四川理工学院本科毕业设计
当电机始终接通电源时，电机转速的最大值为Vmax，设占空比为T= H/(H+L)，则电机的平均速度为Vaverge = Vmax * H/(H+L)=Vmax*T ,其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；T是指占空比。
由上面的公式我们可以预见，当改变占空比T = H/ (H+L)时，就可以得到不同的电机平均速度Vaverge ，从而达到控制转动速度的目标。一般来说，平均速度Vaverge 与占空比T并非严格的线性关系，而且在带动负载的情况下事情将会更加复杂，但是情况却可以因为我们的智能程序而有相当大的改善（假设电机确实能够带动负载的情况下），在智能系统的实时监控之下，如果电机的转速达不到希望的等级，系统是不会死守最初的规则，其会根据情况适当的调节占空比T的输出，如果转速达不到要求系统会逐级加大占空比T，直到达到要求或者电机负载上限。而在转速超过要求时系统又会逐级减小占空比，直到达到要求或占空比为零。这样，我们终于可以将其近似地看成是线性关系。
3.1.2 PWM的实现
开始 初始化 N 达到占空比 Y 停转 等待1ms Y 达到100ms N 等待1ms
图3-2 PWM软件实现逻辑框图
- 7 -
张平：数字式直流电机控速系统设计
脉冲发生器主要由单片机内部的计时器0实现，精确度达到了毫秒级，主要有软件方式来实现占空比的控制。计时器0被设置成计时模式，每隔1毫秒其会产生一个中断信号，系统再根据需要来判断这1毫秒是否属于工作区间，如果属于则输出工作信号，若不属于则输出停止工作信号。其具体实现流程如图3-2所示：
3.1.3 硬件实现
在硬件电路中，PWM由AT89C52的内部计时器进行计时，通过引脚P1.6和P1.7产生控制激励源，具体电路如图3-3所示： +5vR710kR610kR510kR410kR310kR210kR110kR010kDU0DU1DU2DU3DU4DU5DU6DU7U119XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD39383736353433322122232425262728101112131415161718XTAL29RSTK1Key1293031PSENALEEAK2Key2DWKey3M_RXDM_TXDK_countKey1Key2Key3Key4Key5K3K4Key4Con_1Con_212345678P1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C52K5Key5图3-3 PWM信号发生电路 3.2 主控电路
3.2.1．芯片的组成原理
单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功
- 8 -
四川理工学院本科毕业设计
能寄存器的集中控制方法。其基本组成如图3-4所示：
震荡电路 数据存储器 程序存储器 中断系统 CPU 特殊 功能 寄存 器 并行I/O 串行I/O 定时器
图3-4 基本结构图
3.2.2．CPU及部件的作用功能
中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。
内部数据存储器：芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。
内部程序存储器：AT89C52芯片内部共有8K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。
定时器：片内有3个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。
中断控制系统：该芯片拥有比较丰富的中断源，共有5个，其中外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。
其引脚图如图3-5所示：
- 9 -
张平：数字式直流电机控速系统设计
图3-5 AT89C52单片机引脚图
3.2.3 引脚功能
P0.7---P0.0：这8个引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。第一种情况是不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7---P0.0用于传送CPU的I/O数据。第二种情况是AT89C52带片外存储器，P0.7---P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。
P2.7---P2.0：这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。
P3.7---P3.0：这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。它的第二功能作为控制用，每个引脚不尽相同。
VCC为+5V电源线，VSS为接地线。
ALE/PROG：地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用，在访
_________- 10 -