80C196KC单片机与L298N驱动器协同的直流电机PWM控制系统设计与实现

摘要：本文深入探讨了80C196KC单片机与L298N驱动器协同工作的直流电机PWM控制系统的设计与实现。详细阐述了PWM调速系统的运作机制，并通过具体硬件电路展示了L298N如何驱动直流电机，同时介绍了有效的抗干扰策略。此外，还提出了采用分段PI控制算法的软件实现方案。实验验证了该系统的稳定性和可靠性，实现了预期的控制效果。

1、导论

直流电机凭借其优异的调速性能、强劲的启动转矩和卓越的过载能力，在众多领域得到广泛应用。皖南电机随着计算机技术的融入和新型电力电子元件的涌现，PWM（脉冲宽度调制）技术已成为直流电机调速的主流手段。PWM技术凭借其高开关频率、低速稳定运行、优异的动态性能和高效能等优势，在直流电机调速领域得到了广泛的应用。

2、PWM调速系统的工作原理

PWM技术是通过调节大功率晶体管的开关特性，对固定电压的直流电源进行调制，以固定频率交替接通和断开，通过调整一个周期内接通和断开时间的长短来改变电压占空比，进而控制电机的转速。PWM技术也常被称为开关驱动装置，其控制原理示意图如图1所示。

图1 PWM控制示意图

改变占空比主要有PWM和PFM（脉冲频率调制）两种方式。PWM通过改变导通脉冲宽度实现，即定频调宽。PFM则是通过改变开关频率来改变占空比。由于PFM在特定频率下容易引发机械共振，导致系统震动和啸叫，因此在直流电机控制中，PWM技术占据主导地位。

3、80C196KC与L298N构成的控制系统硬件设计

该直流电机PWM控制系统由单片机*小系统、R/D变换器、PWM功放电路、A/D和D/A转换电路、接收指令接口电路等组成。单片机*小系统采用16位单片机80C196KC，外扩接口电路，主要负责数据采集和PWM信号生成，调速系统的组成原理框图如图2所示。

图2 PWM调速系统组成框图

3.1 功率集成电路L298N简介

为了提升系统效率，降低功耗，系统采用基于双极型H桥型PWM的集成电路L298N作为功放驱动电路。L298N由SGS公司生产，是一款高性能PWM功率放大器，以其体积小、驱动能力强而著称。安徽皖南电机其内部包含两个H桥高电压大电流桥式驱动器，单片即可实现电机全桥驱动，可驱动至46V，2A以下的电机。L298N的内部结构如图3所示。

图3 L298N内部结构框图

3.2 直流电机控制系统硬件电路

L298N可驱动两台直流电机。鉴于本系统为单轴结构，为充分利用功放电路的带负载能力，实现*大加速度启动和制动，设计时将输入和输出两两并联，控制直流电机。如图4所示，输入端IN1、IN3并联，IN2、IN4并联，输出端OUT1、OUT3并联，OUT2、OUT4并联，分别接至电机两端，使能端由单片机高速输出口HSO1控制。

单片机80C196KC根据位置环和速度环的运算结果输出PWM信号，信号一路直接输出至IN1（IN3）端，另一路经7406反相输出至IN2（IN4）。当PWM信号的占空比为50%时，电机两端的正反向电压施加时间相同，电机处于微颤状态；当占空比大于50%时，信号电压OUTA大于OUTB，电机正转，反之则反转。因此，必须确保各环节输出极性的正确性，以形成负反馈，实现闭环控制。通过改变PWM占空比来控制电机转速的同时，也可以改变电机转向，控制方法简单可靠。此外，由于电机是电圈式的，在电机急停或突然换向时会产生反向电动势，为保证L298N驱动芯片的正常工作，在输出端OUTA、OUTB与直流电机之间加入两对续流二极管，将电流分流至电源正极或地端，避免反向电动势对L298N造成损害。皖南电机

图4 驱动硬件电路图

3.3 抗干扰及电磁兼容性设计

电机驱动时，功率主开关元件的快速通断会导致功率电流和电压变化率较大，不仅影响驱动电路，还可能通过电源和地线进入控制电路。此外，电机启动制动时在负载突变处产生的瞬变电压，其振幅也会高于电源电压，前沿陡峭，频带宽，经直流电源进入控制电路。因此，抗干扰及电磁兼容性设计至关重要。系统采取了电流平波、去毛刺、屏蔽等措施。

电流平波：由于PWM开关瞬间能量较大，因此在PWM功放输出端采用RC滤波器进行滤波，通过选择合适的电阻和电容值，有效地抑制了高频谐波，吸收了PWM功放尖峰电压，减小了干扰。

去毛刺：在电源端加大滤波电容，一大一小两个电容并联使用，大电容负责低频交变信号的去耦、滤波、平滑作用，小电容消除电路网络中的中、高频寄生耦合，有效减小了尖峰毛刺。

屏蔽：电机驱动线缆采用双屏蔽电缆，走线尽可能与其他线缆分开。

4、控制系统软件实现

控制系统采用速度-位置闭环的组合方式，以下以位置控制为例介绍软件实现方法。在经典PI控制算法的基础上，对比例和积分参数进行简化设计，并引入分段PI控制，即把计算出的误差进行分段，在每一段误差范围内，依靠不同的比例和积分参数参与调节，确保系统运行更加平滑稳定。PI公式的推导及简化过程如下：

具体软件实现流程图如图5所示，即接收到给定角度指令后，首先计算采样到的位置信息与给定角度差值，然后将差值进行n等分，在每一段对应一组参数kp1和ki1参与调节，计算出PI控制的输出量，然后转换成对应的PWM数值输出。

图5 软件流程图

5、结论

基于80C196KC和L298N的直流电机PWM控制系统，通过单片机产生PWM信号，给功率集成电路L298N供电，采用经典的PI分段控制实现对电机的控制，具有电路简单、控制方便等特点。皖南电机价格表运行试验结果表明，系统工作稳定可靠，满足调速功能要求，已成功应用于多个机载产品中。