51单片机直流电机控制系统设计+仿真效果图+源代码(3)
3.2 电机控制信号设计
3.2.1 控制方案选择
在工程上对直流电机的控制有很多方式：
（1）采用电阻网络或数字电位器来调整电机的分压，从而达到调速的目的。
（2）采用继电器对电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行控制。（3）采用由达林顿管组成的H桥型电路驱动电机。
这些设计方案总体上都会给电机的稳定性及精确性带来一定的影响，进而达不到控制要求。随着数字芯片及信息处理技术的快速发展，对电机已基本实现了数字化控制，全数字化输出能实现对直流电机的精确控制。工程实践证明，通过程序控制单片机端口产生PWM波输入到电机驱动芯片，可以使直流电机更加稳定、可靠地运转。
3.2.2 PWM驱动原理
电机调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，改变转速、温度控制、压力控制等等[4]。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，并且可根据要求改变一个周期内的“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”从而达到改变输出平均电压大小的目的，以此来控制电机的转速。改变脉冲的占空比就是对脉冲的宽度进行调制, 只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压, 因此脉冲既是等幅的, 也是等宽的[5]。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图2所示：
图2 PWM控制波形
设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vmax * D，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；D = t1 / T是指占空比。
由上面的公式可见，当改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd,从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似的看成是线性关系[6]。
3.2.3 PWM调速方法
基于单片机类由软件来实现PWM：PWM调速中的占空比D是一个很重要的参数，在电源电压U不改变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D
的值就可改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。改变占空比D的值有三种方法：
A、调宽调频法：保持t2不变，只改变t1，这样使周期(或频率)也随之改变。
B、定宽调频法：保持t1不变，只改变t2，这样使周期(或频率)也随之改变。
C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变t1和t2。
前面两种方法在电机调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，因此当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，可能会引起振荡[7]，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。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。
3.2.4 PWM实现方式
采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。在系统工作时可通过按键调节PWM的占空比，进而来改变电机两端的电压使电机加速、减速或停止，改变输入方向可以改变直流电机的转动方向。采用PWM驱动电机，能使电机的转动更加平滑、稳定，很适合工程上对电机转速要求精确的领域。电机控制部分如图3：