PWM调速系统实现原理分析

PWM调速系统实现原理分析

【摘要】PWM调速系统是利用微处理器数字输出来对模拟电路进行控制的调速技术，这种调速方式能使电机工作条件发生变化时电源输出电压依然相对恒定，且调速带宽极大响应速度快，平滑调速能力强，成为电机自动调速系统的主流形式。本文就PWM调速系统实现原理进行了分析，对深入应用PWM调速系统有一定指导意义。

【关键词】PWM；直流调速；平滑调速；实现原理

1.引言

在现代工农业生产、军事应用、生活应用中，对电力拖动的自动化要求越来越高，需要大量控制元件组成电机自动控制系统，对电机工况进行自动智能调节。在早期，主要采用晶闸管进行电子驱动，后来发展出双向可控硅进行相位控制驱动，一直到上世纪80年代电机控制系统都由半控型功率器件主宰。在上世纪70年代中期，直流电机脉冲宽度调制（PWM）调速系统开始出现，初期主要应用于不可逆、小功率驱动之中，被应用于军事及空间技术等领域。近年来，随着微电子技术和晶体管制作技术的提升，PWM调速技术得到了高速发展，其应用领域迅速扩展至民用工业领域，其算法更为先进，调速可靠性和安全性也得到了极大的提升。

2.PWM调速系统工作原理

2.1 直流电机工作原理

直流电机是一种应用广泛的电能转换器，多数直流电机都利用电磁形成方向不变的转矩以进行连续旋转运动，其硬件结构包括定子、主磁极、电刷、转子、换向器几个部分。电流首先由电刷A流入，再经线圈，最后从电刷B流出，此时载流导体受到电磁力作用形成转矩使得转子转动。换向器则配合电刷对电流进行换向，以使每个磁极下的线圈中电流始终向一个方向，最终电机连续旋转。

2.2 直流电机调速原理

根据直流电机工作原理，直流电机的调速可以通过调节供电电压、改变电机主磁通、改变电枢回路电阻三种方法来实现。调节供电电压主要是在额定电压范围内降低电枢电压，使电机的额定转速下降，这种方法是恒转矩调速，这种方法需要大容量可调直流电源方可实现。改变电机主磁通的方法是一种通过减弱磁通进行调速的方法，这种方法为弱磁恒功率调速，能使电机在额定转速范围内上调，所需直流电源容量较小但响应速度较慢。改变电枢回路电阻则是在电机电枢回路上串连电阻，从而实现直流电机调速，这种调速方法实现容易但在调速电阻会消耗大量电能。目前在直流电机自动调速系统上，多采用调压调速的方式，或者与改变电机主磁通的方法配合使用。

2.3 PWM调速系统工作原理

目前应用较为广泛的直流调速系统有V-M系统，这种调速系统能实现平滑调速，但受其所采用的晶闸管单向导电性的影响，这种调速方式不允许电流反向因而在电机可逆运行方面适用能力不足，且会产生较大的谐波电流，对电网质量造成冲击。PWM调速系统则是通过改变晶闸管导通时间，从而改变脉冲宽度来进行直流调速的方法，这种调速方法晶闸管并不受相位控制，而是受开关状态影响，在高开关频率下利用电枢电感滤波作用来获得脉动极小的直流电流，从而有效提高调速范围，降低电机损耗与发热。采用PWM调速系统，除了可以利用PWM变换器来实现外，还可以利用单片机控制继电器开合来实现，其智能水平和自动化能力更高。

3.PWM调速系统硬件实现

3.1 基本分析

在本文中，仅对PWM调速系统中的开环调速方式的硬件实现进行研究，开环调速系统仅改变驱动电路控制电压，从而改变功率变换电路输出平均电压，实现对电机转速的调节。这种调速系统控制电压同输出转速之间处于顺向作用关系，控制单方向进行，电机转速不对控制电压产生影响，控制电压由给定电压确定。在实践应用中，采用三级管构成H型PWM调速电路，根据占空比来利用单片机来控制三极管开关状态从而对直流电机转速进行精确调节。采用H型电路，能极好的实现转速与转向上的控制，调速响应快、稳定性好且调速范围广，具有极高的实用价值。

3.2 硬件电路实现

在PWM智能调速系统的实现中，其硬件电路主要包括时钟电路、复位电路、输入电路、单片机、驱动电路五大部分。其中驱动电路为可控开关元件，利用H 桥电路构建功率放大电路结构。以单片机AT89C51为例，其核心即是利用单片机AT89C51的定时器来产生PWM脉冲波形，根据采集的转速和需要的转速进行比对，以比对的结果来利用调节PWM脉冲波形宽度，从而控制H桥电路中的可控开关元件通断时间，实现电机转速的调制。

时钟电路负责为整个系统的运行提供基准时钟控制信号，包括晶振和电容，晶振频率越高则整个系统的时钟频率越高，A T89C51单片机则具有更高的处理速度。复位电路承担单片机初始化操作，包括系统正常初始化和程序故障初始化，可设置按键手动复位操作。输入电路承担相应的输入功能，包括按键输入功能和电机转速采集数据输入，根据输入需要输入电路的设计会有一定差异，但主要分为键盘输入电路和电机转速输入电路两个部分，分别承担相应信号输入任务。

4.PWM调速系统软件实现

4.1 基本分析

PWM调速方式中，有双极性和单极性两种。双极性调速方式在一个脉冲周期内，单片机两个控制分别输出高低电平相反的控制信号，利用高电平时差来控制电机转向与转速；单极性调速方式单片机一个控制口置于低电平状态，另一控制口发送PWM信号，利用两个控制口的输出切换来控制电机转向，利用PWM 信号占空比控制电机转速。相对来说，单极性调速方式更为稳定可靠。在软件实现上，一种可以采用定时器来进行脉宽控制，另一种则可以采用软件延时来进行脉宽控制，不过采用定时器进行脉宽控制更为精确。在本文中，对采用定时器进行脉宽控制的单极性PWM调速方式的软件实现原理进行分相反。

4.2 软件运作机理

在整个PWM调速系统的软件系统中，包括键盘输入程序、中断处理程序、脉宽控制程序、键盘中断处理程序、显示处理程序等。在键盘输入相应指令时，单片机根据指令利用控制口输出相应的PWM脉冲，使H桥驱动电路开关状态根据PWM脉冲发生变化，从而对电机转速和方向进行控制。所产生的PWM脉冲为周期固定、占空比可调的脉冲系列，该脉冲序列的输出电平维持时间受定时器控制，占空比由单片机内部PWM输出寄存器值决定，通过在设置单片机定时器初始值来进行占空比PWM输出控制。

4.3 PWM脉冲带宽控制策略

一个PWM脉冲周期，由高电平持续时间系数和低电平持续时间系统构成，占空比为高电平持续时间系数除以高电平持续时间系数和低电平持续时间续数的总和。要对PWM脉冲带宽进行定频调宽，仅需改变全局变量，即高电平持续时间系数和低电平持续时间系数即可。当电机启动和停止运行时，使用渐变脉冲带宽调整方式，当电机启动时使脉冲带宽由匀加速状态直到默认速度，当电机停止时则脉冲带宽由当前速度值逐步降至为零。通过渐变脉冲带宽调整，能使电机速度变化更为平缓。同时，配合相应的速度传感器和距离传感器等，对速度和距离进行相应的计算，能有效的提高自动智能调速效率，保证电机工况的稳定性和可靠性。

5.结束语

PWM调速技术是一种简单、灵活、响应速度好、调速范围广的调速控制技术，这种调整技术利用脉冲带宽对直流电机转速和方向进行控制，由于采用了高分辨率计算方法，利用占空比来对具体模拟信号进行编码，在带宽足够的情况下可以满足任何模拟值的编码需要，能极好的实现电机负载的数字化自动调速控制，可以有效的降低噪声影响，具有极高的实践应用价值。

参考文献

[1]席朝永.基于单片机的直流电机PWM调速系统设计与开发[J].煤炭技术，