直流电动机的PWM调压调速原理

直流电动机的PWM调压调速原理

直流电动机转速N的表达式为：N=U-IR/Kφ

由上式可得，直流电动机的转速控制方法可分为两类：调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法。其中励磁控制方法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制方法。

对电动机的驱动离不开半导体功率器件。在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体器件的使用上又可分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。

线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的优点是：控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小；但是功率器件在线性区工作时由于产生热量会消耗大部分电功率，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于微小功率直流电动机的驱动。绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。

在PWM调速时，占空比α是一个重要参数。以下3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t1不变，只改变t2，这样使周期T（或频率）也随之改变。

（2）调频调宽法

这种方法是保持t2不变，只改变t1，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t1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，因此这两种方法用得很少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。

直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统

双极性驱动则是指在一个PWM周期里，作为在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。

双极性驱动电路有两种，一种称为T型，它由两个开关管组成，采用正负电源，相当于两个不可逆控制系统的组合。但由于T型双极性驱动中的开关管要承受较高的反向电压，因此只用在低压小功率直流电动机驱动。

另一种称为H型。

H型双极性驱动

一、显示接口模块

方案一：液晶显示器也是一种常用的显示器件。它的优点是功耗低，寿命长，本身无老化问题，显示信息量大（可以显示字母和数字），在显示字符上没有限制。但价格高，接口电路较为复杂。其只在一些（袖珍型）设备上作为显示之用。

方案二：数码管（LED）是一种简单而常用的显示器件，通常用来指示机器的状态和其他信息。它的优点是价格低，寿命长，对电流，电压的要求低及容易

实现电路的接口等；而有其亮度较低，温度依赖性较大等缺点。但在其系统中只作为简单的显示，且从价格等方面考虑。采用方案二来设计电路。

1．电动机控制电路模块

H桥电动机驱动电路的工作原理：

A：当单片机的P0.0脚输出高电平，而P0.1脚输出低电平时，通过光电耦合器后仍然输出为高电平，使Q4管导通，此时Q1也处于导通状态，但Q2管的基极的电位被强行拉低，Q2管处于截止状态。由于单片机的P0.1脚输出低电平，Q8处于截止状态，而此时Q7因为Q5的截止而处于导通状态，从而使电动机形成回路，电机正常工作。

B：同理可得，当P0.0脚输出低电平，而P0.1脚输出高电平时，三极管的状态与上述相反，电机同样处于正常工作状态。

C：当P0.0脚和P0.1同时为高电平或低电平，由于Q4与Q8和Q3与Q7的工作状态相同，同时处于导通或截止，使电机两断电位相同，无法使电机形成闭和回路，电机不工作，着就是所谓本设计所提及的刹车状态。

由于电路中在驱动功率管的发射极各添加了一个小电感，目的是为了使电机驱动电压更加稳定，得到较为平滑的驱动电压，从而增加了刹车时动作的准确性，减少电机的在起动和停止的瞬间产生过大的电压对功率管的冲击，导致功率管的损坏。同时也提高了电机的刹车控制可靠性和准确性，不至于因惯性而导致控制上产生较大的误差。

该桥的优点是电路的原理简单、易控制、功耗低带负载能力强、刹车的精度很高而且价格低廉。在驱动电路的控制信号输入断采用了光电隔离技术，减小H桥电机驱动电路对单片机的干扰，实现模拟电路与数字电路的隔离。在单片机的配合下，通过PWM调节脉宽的方法，实现了对驱动电机的轻松调速，通过键盘的配置可以对体的参数进行修改，可以使电机适应各种不同的工作状态，而实现智能控制的目的。正因为采取了PWM该技术，使我们完成基本要求的过程变得简单易行。

在电路中所采取的功率管为中功率管，其中将驱动功率管设计为灵活替换方式，可以根据实际驱动电路的需要，从而调整功率管的型号而不用另行更改电路，就可以满足电路控制的要求

三、软件模块部分

在速度控制方面，一般是能通过改变加在电机两端的电压来实现的，可以是连续改变（加直流电压），也可以是断续改变（加脉冲电压）。为了简单用，我们采用了脉宽调速，脉宽的变化可以通过硬件或软件来实现。

方案一硬件实现是通过改变振荡电路中RC参数来调整充放电时间。若用硬件电路来实现，在稳定性方面得不到保证。

方案三用软件的作法是通过设置高电平及低电平的保持时间来达到PWM的脉宽调制目的。

就比较而言，软件调整量化指标更高、调整更可靠、更方便、更准确。因此在设计时，常考虑方案二。

脉冲频率对电机转机也有影响，脉冲频率高连续性好，但带负载能力差，

频率低则反之。经实验发现，脉冲频率在15━20HZ效果最佳。在本设计中采用了20HZ进行设计。

脉冲调速实质上是调节加在电机两端的平均功率，通过计算可发现电机的速度与脉宽成正比。

软件编程的考虑是设置脉宽这个变量。在P0.0，P0.1的输出控制信号来产生20HZ可调脉宽方波。