基于80C196KC和L298N直流电机的PWM控制系统设计

直流电机以其调速性能好、启动转矩大、过载能力强等优点被广泛应用于各个领域。近年来， 直流电动机的结构和控制方法发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域和新型电力电子功率元件的不断出现， PWM（脉宽调制） 调速已成为直流电 机调速的新方式 。

此外，PWM调速以其开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点被广泛应用于直流电机调速，因此，本文汇总一些基于L298N和80C196KC直流电机PWM控制系统的设计方案。

PWM调速系统原理

PWM，即脉冲宽度调制，是指利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流 电源，以固定的频率接通和断开，接通和断开时间的长短在根据需要改变周期。通过改变直流 伺服电机电枢上电压的占空比 ，改变平均电压来控制电机的转速。因此，常被称为开关驱动装置。PWM控制原理图如下所示：

改变占空比通常有两种方式：PWM 和PFM   （脉冲频率调制）。 PWM是通过改变导通脉冲的宽度，也就是通常所说的固定频宽调制方式。 PFM是指导通脉冲宽度恒定，通过改变开关频率来改变占空比。因为当它遇到特定频率的机械共振时，往往会导致系统振动和啸叫。因此，在直流电机的控制中，主要采用PWM控制方式。、

控制系统硬件设计

基于80C196KC和L298N的直流电机调速系统由最小的单片机系统、R/D转换器、PWM功率放大电路、A/D、D/A转换电路、接收命令接口电路组成 。单片机最小系统采用16位单片机80C196KC外部扩展接口电路，主要用于实现数据采集和PWM信号产生等功能。速度控制系统框图如下所示：

L298N功率集成电路

为了提高系统效率、降低功耗， 功放驱动电路采用基于双极H桥脉宽调制方式的集成电路L298N  。L298N是SGS公司生产的高性能脉宽调制功率放大器，具有体积小、驱动能力强的特点。它包含两个H桥高压大电流桥驱动器，可以用单芯片实现电机的全桥驱动，可以驱动46V和2A以下的电机。L298N的内部结构如下图所示：

直流电机控制系统硬件电路

L298N可以驱动两个直流电机，由于调速系统是单轴结构，为了充分利用 功放电路的负载能力，使系统以最大加速度启动，以最大加速度制动，设计中将输入端与输出端并联，控制直流电机。

单片机80C196KC根据位置环和速度环的计算结果给出PWM信号。PWM信号直接输出到IN1（IN3）端，将PWM信号反相后通过7406输出到IN2（IN4）。当PWM模拟信号占空比为50%时，两路正负电压电机的两端同时施加。电机在此位置处于颤动状态，即处于“动力润滑”状态。当占空比大于50%时，信号电压OUTA大于OUTB，电机正转，否则反转。

因此，必须理顺各环节的输出极性，形成负反馈，完成闭环控制。依靠改变PWM占空比来控制电机转速也可以改变电机旋转方向，控制方法简单可靠。

另外，由于电机为线圈式，当电机急停和突然换向时，会形成反向电动势。为了保证L298N驱动芯片的正常工作，在输出端OUTA、OUTB与直流电机之间增加了两对续接。均流二极管将电流分流至电源正极或接地端，以防止反电动势损坏L298N。

抗干扰及电磁兼容设计

电机驱动时，功率主开关元件的快速通断导致电源电流和电压发生较大的变化率，不仅影响驱动电路，而且通过电源和地进入控制电路。

另外，电机启动和制动时，负载突变时会产生瞬态电压，其幅值会高于电源电压，且前沿陡峭，频带很宽，通过直流电源进入控制电路。因此，抗干扰和电磁兼容设计也非常重要。系统采取了电流平滑、去毛刺、屏蔽等措施。

• 电流平滑：由于PWM开关的瞬时能量比较大，所以在PWM 功放的输出端采用RC滤波器进行滤波。通过选择合适的电阻和电容值，可以有效抑制高频谐波， 吸收PWM功放的峰值电压，从而减少干扰。
• 去毛刺：系统在电源侧增加滤波电容，并采用一大一小电容并联。大电容负责低频交流信号的去耦、滤波、平滑，小电容消除电路网络中的中高频寄生耦合，有效减少尖峰和毛刺。
• 屏蔽：电机驱动电缆采用双屏蔽电缆，接线时应尽量与其他电缆分开。

控制系统软件实现

控制系统采用速度-位置闭环组合方法，以位置控制方法为例介绍软件的实现方法。位置控制在经典PI控制算法的基础上，对比例和积分参数进行简化设计，引入分段PI控制。即将计算出的误差分为几段，不同的比例积分参数在每段的误差范围内参与调节，保证了系统运行更平滑、更稳定。

具体软件实现流程图如下图所示，即接收到给定角度命令后，首先计算采样的位置信息与给定角度的差值，然后将差值分成n等份，每段对应一组参数Kp1和ki1参与调解控制，计算PI控制的输出，然后将其转换为相应的PWM数值输出。

总结

本文总结了基于80C196KC和L298N的直流电机PWM控制系统的设计方案。单片机产生PWM信号给功率集成电路L298N。采用经典的PI分段控制来控制电机。具有电路简单、控制方便的特点。运行测试结果表明，系统工作稳定可靠，满足调速功能要求，已成功应用于多款机载产品。

常见问题整理

集成电路L298N是基于什么方法实现的？

答：双极H桥脉宽调制

什么类型的计算机产生PWM信号给功率集成电路L298N？

答：单片机

L298N是什么？

答：L298N电机驱动模块是一款大功率电机驱动模块，用于驱动直流电机和步进电机。该模块由L298电机驱动IC和78M05 5V稳压器组成。L298N模块最多可控制4个直流电机，或2个带方向和速度控制的直流电机。

L298N有什么用？

答：L298N是一款双H桥电机驱动器，可同时控制两个直流电机的速度和方向。该模块可驱动电压在5V至35V之间的直流电机，峰值电流高达2A。

L298N如何控制直流电机速度？

• 如果向使能1引脚发送高电平信号，则电机A已准备好受控制并处于最大速度；
• 如果向使能1引脚发送低电平信号，电机A关闭；
• 如果发送PWM信号，就可以控制电机的速度。电机速度与占空比成正比。

L298N电机驱动器如何工作？

答：L298N是一款双H桥电机驱动器，可同时控制两个直流电机的速度和方向。该模块可驱动电压在5V至35V之间的直流电机，峰值电流高达2A。

H桥的作用是什么？

答：H桥是一种切换施加到负载的电压极性的电子电路。这些电路通常用于机器人和其它应用，以允许直流电机向前或向后运行。

L293D和L298N有什么区别？

答：L293D是四路半H驱动器，而L298是双全H驱动器，即在L293中所有四个输入输出线都是独立的，而在L298中，半H驱动器不能独立使用，只能使用全H驱动器。因此，L298中提供了散热器。