《电子技术》课程设计报告
课题： 直流电机PWM调速电路
班级 电气1107 学号 1101205712
学生 海彬
专业 电气信息类
学院 电子与电气工程学院
指导教师 电子技术课程设计指导小组
工学院
电子与电气工程学院
2012年05月
直流电机PWM调速电路
一）设计任务与要求：
1. 设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向转动；
2. 设计PWM驱动信号发生电路；
3. 设计电机转速显示电路；
4. 设计电机转速调节电路，可以按键或电位器调节电机转速；
5. 安装调试。
二）系统原理及功能概述
1）直流电机脉宽调速电路原理
对小功率直流电机调速系统，使用单片机是极为便的。其法是通过改变电机
电枢电压接通时间与通电期的比值（即占空比）来控制电机速度。这种法称为脉
冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称 PWM。
改变占空比的法有 3 种：
（1）定宽调频法，这种法是保持 t1 不变，只改变 t2 ，这样期 T（或频
率） 也随之改变；
（2）调宽调频法，保持 t1 不变，而改变 t2 ，这样也使期 T（或频率）
改变；
（3）定频调宽法，这种法是使期 T（或频率）不变，而同时改变 t2 和 t1 由 ，
当控制频率与系统的固有频率接近 于前两种法都改变了期（或频率） 时，将会
引起振荡，用的比较少，因此本系统用的是定频调宽法。在脉冲 作用下，当电
机通电时，速度增加。电机断电时，速度逐渐减小。只要按 一定规律，改变通
断电时间，即可实现对电机的转速控制。 设电机永远接通电源时，其最大转速
为 Vmax，设占空比 D＝ t1 /T ，则电机的平均速度为 Vd，平均速度 Vd 与占
空比 D 的函数曲线如图 1－2 所示，从图可以看出，VD 与占空比 D 并不是
完全线性关系（图中实线），当系统允时，可以将其近似的看成线性关系（图中
虚线），本系统采用近似法。
平均速度与占空比的关系
2）比例积分控制规律
系统的控制算法主要采用 了 PI 控制算法。其控制算法为：
其中 Kp 为比例系数，Ti 为积分系数。若单片机的采样期为 T，则上式可
近似为：
上式即为位置式 PI 控制算法。这里我们采用其增量式控制算法，根据递推
原理可得：
则增量式控制算法为 ：
其中 Kp 为控制器比例系数，Ki 为积分时间常数。 由于系统采用了比例积
分调节器 简称 PI 调节器，使系统在扰动的作用下，通过 PI 调节器的调节作用
使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。
无静差调速系统中，比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快无滞后，
积分部分使系统消除静差。
3）直流电机调速原理
直流电机转速 n 的表达式为:
式中:U-电枢端电压；I-电枢电流；R-电枢电路总电阻；Φ-每极磁通量；K-
与电机结构 有关的常数，因此直流电机转速 n 的控制法有三种，主要以调压调
速为主。
本控制器主要通过脉宽调制 PWM 来控制电动机电枢电压， 实现调速。
调脉宽的式有三 种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。本系统采用了定频调脉
宽式的 PWM 控制，因为采用 这种式， 电动机在运转时比较稳定； 并且在采
用单片机产生 PWM 脉冲的软件实现上比较 便。
对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。 与开环控
制相比,速度控 制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开
环系统机械特性相比,其性 能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差率
（额定负载时电机转速降落与理想空载 转速之比）要小得多;当要求的静差率相
同时, 闭环调速系统的调速围可以大大提高。
转速设定值
偏差 转速输出
直流电机速度闭环控制案
三）脉宽可调波发生电路
四）硬件设计与分析
1）系统硬件组成
图 2－1 为该系统硬件电路设计框图。根据本系统要求通过软件编程定义键
盘各键的功能及显示控制。
有关驱动及主回路控制电路见下几节。
整个系统控制过程为：键盘输入控制信号、参数及速度给定值，单片机经过
速度闭环、 运算，控制 P 口（自行定义）输出脉冲的占空比，从而控制电机的
转速，并经显示电路显示出来。
驱动控制电路见图 2－3。将单片机软件产生的 PWM 信号经并联使用的施
密特反相器，对 IGBT 进行驱动。
2） 驱动控制电路
驱动控制电路见图 2－3。将单片机软件产生的 PWM 信号经并联使用的施密特
反相器，对 IGBT 进行驱动。
驱动控制电路
3） 主回路控制电路
主电路控制电路见图 2－2。220 交流电压经过桥式整流电路的整流，再经过电
容滤波，经过 IGBT 元件的功率放大，加到直流电机的两端控制电机。
主电路控制电路
4） 测速电路
测速电路
5） 显示电路
显示电路见图 2-5。选用共阴 8 段数码管，采用 MAX7219 驱动。
MAX7219 是一种高集成化的串行输入/输出的共阴极 LED 显示驱动器。每
片可驱动 8 位 7 段加小数点的共阴极数码管，可以数片级联，而与微处理器的
连接只需 3 根线。MAX7219 部设有扫描电路，除了更新显示数据时从单片机
接收数据外，平时独立工作，极大地节省了 MCU 有限的运行时间和程序资源。
MAX7219 芯片上包括 BCD 译码器、多位扫描电路、段驱动器、位驱动器
和用于存放每个数据位的 8×8 静态 RAM 以及数个工作寄存器。通过指令设
置这些工作寄存器，可以使 MAX7219 进入不同的工作状态。MAX7219 的详细
资料请参考其他书籍，这里不再赘述。
MAX7219 驱动显示电路
按键电路见图 2－6。 52 单片机的 P 口在悬空时默认是高电平，每个按
钮通过一个上拉电阻接到＋5V 电源，按下按钮，则 P 口变成低电平，这样就
可以通过 P 口的状态来反映按钮的按下情况。按键通过并联电容 C 进行防抖
动，无需通过软件部分实现。
五）电机测速
信号调理电路主要利用 LM324 运算放大器设计的比较器，调节比较器偏置
电压使脉冲最接近于波且幅度大于 3.3V。为了提高测速的 精度，在信号后级添
加比较器调理信号为标准的波，调节比较器运放的偏置电压使 波信号最适合于
测速。
在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按
一定规律改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。
PWM 波产生的思想是，固定 PWM 的期为 PWMT，t 时间输出高电平，
则剩下 PWMT-t 时间就输出低电平。
通过控制定时器 T1，从而可以实现从 8051 的任意输出口输出不同占空比
的脉冲波形。由于 PWM 信号软件实现的核心是单片机部的定时器，而不同单
片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择
的定时器工作式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此，首
先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。如果单片机的时钟频率为 f，
定时器/计数器为 N 位，则定时器初值与定时时间的关系为:
式中，Tw — 定时器定时初值；N — 一个机器期的时钟数。
N 随着机型的不同而不同。在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。
这样，我们可以通过设定不同的定时初值 Tw，从而改变占空比 D，进而达到控
制电机转速的目的。
此次实验采用 12MHz 晶振，计数频率为 1MHz，即每微秒计数器加一，
设置 PMW 脉冲期固定为 PWMT10000，即 0.01s。
在实际的直流电机调速系统中，电机的测速由测速电机完成，本次实验系统，
由电机自带的霍尔元件完成测速，电机每转一圈，霍尔元件就送出一个脉冲，我
们设计的程序是将测速部分嵌套在 PWM 函数里，这样就节省了一个定时器资
源。PWM 脉冲期为 0.01s，一个期定时器 T1 中断 2 次，设置定时器每中断
200 次，即每 1s 对电机进行一次测速，测速完毕后计数器 T0 归零，重新对霍
尔脉冲计数。
参考文献
童诗白，华成英.模拟电子技术基础.：高等教育，2006
欧阳昌华.电机及电力拖动系统实验指导书(综合部分).：高等教育，2005
廖力清.微机测控保护装置与电站.：人民， 2003
康华光.电子技术基础（数字部分).：高等教育，2005