直流電機以其具有良好的調速性能、較大的起動轉矩和過載能力強等特點廣泛應用於各種領域。近年來，直流電機的結構和控製方式都發生了很大的變化，隨著計算機進入控製領域以及新型電力電子功率元件的不斷出現，PWM(pulsewidthmodulaon)調速已成為直流電機調速的新方式，並憑借開關頻率高、低速運行穩定、動態性能優良、效率高等優點在直流電機調速中被普遍運用。因此本文提出了基於基於80C196KC和L298N的直流電機PWM控製係統的設計。

1.PWM調速係統原理

PWM即脈衝寬度調製是指利用大功率晶體管的開關特性來調製固定電壓的直流電源，按一個固定的頻率來接通和斷開，並根據需要改變一個周期內接通和斷開時間的長短，通過改變直流伺服電動機電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控製電機的轉速。因此又常被稱為開關驅動裝置，PWM控製的示意圖如圖1所示。

圖1 PWM控製示意圖

改變占空比通常有PWM和PFM(pulsefrequencymodulaion)兩種方式。PWM是通過改變導通脈衝寬度，即通常所說的定頻調寬方式。PFM是導通脈衝寬度恒定通過改變開關頻率來改變占空比，由於當遇到某個特殊頻率下的機械諧振時，常導致係統的震動和嘯叫聲，因此在直流電機的控製中以PWM控製方式為主。

2.控製係統硬件設計

基於80C196KC和L298N的直流電機調速係統由單片機最小係統、R/D變換器、PWM功放電路、A/D和D/A轉換電路、接收指令接口電路等組成。單片機最小係統采用16位單片機80C196KC外擴接口電路，主要用來實現數據采集、PWM信號產生等功能，調速係統組成原理框圖見2。

圖2 PWM調速係統組成框圖

2.1功率集成電路L298N簡介

為提高係統效率，降低功耗，功放驅動電路采用基於雙極型H橋型脈寬調製方式的集成電路L298N。L298N是由SGS公司生產的高性能脈寬調製功率放大器，具有體積小、驅動能力強等特點。內部包含兩個H橋高電壓大電流橋式驅動器，單片即可實現電機全橋驅動，可驅動46V，2A以下的電機。L298N的內部結構如圖3所示。

圖3 L298N內部結構框圖

2.2直流電機控製係統硬件電路

L298N可以驅動兩台直流電機，因該調速係統為單軸結構，為充分利用該功放電路的帶負載能力，以使係統以最大加速度啟動，並以最大加速度製動，設計時分別將輸入和輸出兩兩並聯使用控製直流電機。如圖4所示，輸入端IN1、IN3並聯，IN2、IN4並聯，輸出端OUT1、OUT3並聯，OUT2、OUT4並聯分別接至電機兩端，使能端由單片機高速輸出口HSO1控製。

單片機80C196KC根據位置環和速度環運算結果給出PWM信號，PWM信號一路直接輸出至IN1(IN3)端，一路經過7406取反輸出至IN2(IN4)，當PWM模擬信號占空比為50%時，電機兩端正反向電壓所加時間相同，電機在此位置處於微顫狀態，即處於“動力潤滑”狀態，當占空比大於50%時，信號電壓OUTA大於OUTB，電機正轉，反之則反轉。因此必須理順各環節的輸出極性，才能形成負反饋，完成閉環控製。依靠改變PWM占空比控製電機轉速的同時也可以改變電機轉向，控製方法簡單可靠。此外，因為電機是電圈式的，在電機出現急停和突然換向時會形成反向電動勢，為保證L298N驅動芯片的正常工作，在輸出端OUTA、OUTB與直流電機之間加入兩對續流麻豆国产一区將電流分流到電源正極或地端，以免反向電動勢對L298N產生損害。

2.3抗幹擾及電磁兼容性設計

電機驅動時，功率主開關元件的快速通斷導致功率電流和電壓變化率較大，不僅影響驅動電路而且還會通過電源、地進入控製電路。此外，電機啟動製動時在負載突變處產生瞬變電壓，其振幅也會高於電源電壓，而且前沿陡峭、頻帶很寬，經由直流電源進入控製電路。因此，抗幹擾及電磁兼容設計也至關重要。係統采取了電流平波、去毛刺、屏蔽等措施。

電流平波：由於PWM開關瞬間能量比較大，因此在PWM功放輸出端采用RC濾波器來濾波，通過選擇合適的電阻和電容值，有效地抑製了高頻諧波，吸收了PWM功放尖峰電壓，減小了幹擾;

去毛刺：係統在電源端加大濾波電容，一大一小兩個電容並聯使用，大電容肩負低頻交變信號的去耦、濾波、平滑作用，小電容消除電路網絡中的中、高頻寄生耦合，有效減小了尖峰毛刺;

屏蔽：電機驅動線纜采取雙屏蔽電纜，走線盡可能與其他線纜分開。

圖4 驅動硬件電路圖

3.控製係統軟件實現

控製係統采用速度-位置閉環的組合方式，以位置控製方式為例介紹軟件的實現方法，位置控製在經典PI控製算法的基礎上，對比例和積分參數進行簡化設計，並引入了分段PI控製，即把計算出的誤差進行分段，在每一段誤差範圍內依靠不同的比例和積分參數參與調節。保證了係統運轉更加平滑穩定，PI公式推倒及簡化過程如下：

具體軟件實現流程圖如圖5所示，即接收到給定角度指令後，首先計算采樣到的位置信息與給定角度差值，然後把差值進行n等分，在每一段對應一組參數kp1和ki1參與調解控製，計算出PI控製的輸出量然後轉換成對應的PWM數值輸出。

圖5 軟件流程圖

結束語

本文總計了基於80C196KC與L298N的直流電機PWM控製係統設計方案，由單片機產生PWM信號給功率集成電路L298N，采用經典的PI分段控製實現對電機的控製，其具有電路簡單，控製方便等特點。運行試驗結果表明，係統工作穩定可靠，滿足調速功能要求，已成功應用在多個機載產品中。
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