11.4　直流电机调速PWM信号

11.4　直流电机调速PWM信号

PWM信号是由脉宽调制器（一个电压—脉冲变换装置）生成的，常用的脉宽调制器有以下几种：用锯齿波或三角波作调制信号的脉宽调制器；用多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉宽调制器；数字式脉宽调制器。这里简要介绍一下用三角波作调制信号的脉宽调制器生成PWM波的方法。脉宽调制器由恒频率波形发生器和脉冲宽度调制电路组成。恒频率波形发生器的作用就是产生频率恒定的振荡源作为比较的基准，如三角波。脉冲宽度调制电路，实际上就是电压/脉宽转换电路（简称V/W电路），是PWM信号的形成电路。调制产生PWM信号的工作原理如图11-10（a）所示。

图11-10　调制产生PWM信号的工作原理

（a）电压比较器；（b）输入-输出波形

图11-10（a）是电压比较器，输入信号为图11-10（b）中的Ui。在电压比较器的两个输入端输入控制信号和三角波信号，则比较器的输出将按以下规律变化：Ui＞Ud时，输出正的电压+VCC；Ui＜Ud时，输出负的电压-VDD。由此即可产生PWM脉冲信号。

11.4.1　直流电机电枢的PWM调压调速原理

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——电机结构参数。

11.4.2　脉宽调制占空比调节

脉宽调制即PWM控制，就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列的脉冲宽度进行调制，来等效地获得所需波形。图11-11是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。在图11-11（a）中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us。t1秒后，栅极变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图11-11（b）所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值U0为：

式中，α为占空比，。

图11-11　PWM调速控制原理和电压波形图(https://www.daowen.com)

（a）原理图；（b）输入-输出电压波形

占空比α表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。α的变化范围为0≤α≤1。可知，当电源电压US不变的情况下，电枢的端电压的平均值U0取决于占空比α的大小，改变α的值就可以改变电枢两端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。

在PWM调速时，占空比α是一个重要的参数，以下三种方法都可以改变占空比的值。

（1）定宽调频法。这种方法是保持1t不变，只改变t2，这样使周期T（或频率）也随之改变。

（2）调宽调频法。这种方法是保持t2不变，而改变1t，这样使周期T（或频率）也随之改变。

（3）定频调宽法。这种方法是使周期T（或频率）保持不变，而同时改变1t和t2。

前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法很少用。目前，在直流电动机控制中，主要使用定频调宽法。

11.4.3　PWM控制信号产生的方法

1.分立电子元件组成的PWM信号电路

它是最早期的方法，现在已被淘汰了。

2.软件模拟法

利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM波输出。这种方法要占用CPU大量时间，使单片机无法进行其他工作，因此也逐渐被淘汰。

3.专用PWM集成电路

从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已有许多种。这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动机中，使用专用的PWM集成电路可以减轻单片机的负担，工作可靠。

4.单片机的PWM

新一代单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只有在改变占空比时CPU才进行干预。

根据直流电动机的转矩（电流）与转速的关系，可以做一个图来表示电动机运行状态，如图11-12所示。从图中可以看出，第一象限是电动机正转运行状态；第三象限是电动机反转运行状态；第二和第四象限分别是电动机反转和正转时再生制动运行状态。电动机能在几个象限内工作与控制方式和电路结构有关。如果电动机在4个象限上都能运行，说明电动机的控制功能比较强。

图11-12　电动机四个运行象限