淺談直流電動(dòng)機(jī)pwm原理 pwm應(yīng)用詳解

本文主要是關(guān)于pwm的相關(guān)介紹，并著重對pwm的原理以及pwm直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了詳盡的闡述。

PWM直流電機(jī)

目前 ,在直流電機(jī)控制系統(tǒng)中 ,普遍采用以單片機(jī)或 DSP 作為微處理器的控制系統(tǒng) , 由于單片機(jī)或DSP 控制電機(jī)占用端口資源多 、所需周邊元器件也較多 ,對整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有較大影響 ?？删幊炭刂破髯鳛橐环N工業(yè)控制裝置 , 以抗干擾能力強(qiáng)和可靠性高而著稱 , 隨著可編程控制器的迅速發(fā)展 ,其性價(jià)比也在不斷提高。

直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器的主電結(jié)構(gòu)通常采用H橋，調(diào)速大都通過PWM方式，其調(diào)制方式大致有雙極式、單極式和受限單極式三種。不同的PWM方式下電機(jī)的運(yùn)行特性以及主電回路的開關(guān)損耗和安全性各有不同。無刷直流電機(jī)(BrushlessDCMotor，BLDCM)通常采用三相全橋主電路結(jié)構(gòu)，以三相六狀態(tài)方波控制運(yùn)行，任一狀態(tài)下有兩只開關(guān)管受PWM控制，其PWM調(diào)制方式和直流電機(jī)的H橋PWM調(diào)制很類似，都是同時(shí)兩只橋臂受控。直流電機(jī)調(diào)速PWM方式選擇要依據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求。通常直流伺服控制系統(tǒng)大多采用雙極控制，可以保證電機(jī)電流的連續(xù)性等要求，從而保證電機(jī)的快速響應(yīng)性;對于調(diào)速系統(tǒng)，通常電機(jī)工作在較高轉(zhuǎn)速、較大負(fù)載下，這時(shí)可選擇單極式，或受限單極式，使主電路不易出現(xiàn)直通故障，工作可靠性高。同時(shí)，不同的PWM方式，橋式電路功率器件的損耗、熱平衡及續(xù)流回饋也不盡相同。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要包括轉(zhuǎn)速檢測顯示程序、PI控制算法程序及PWM信號(hào)產(chǎn)生程序。轉(zhuǎn)速檢測顯示程序?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的測量,并利用組態(tài)王軟件實(shí)時(shí)顯示出來。PI控制算法程序利用PLC的PID功能指令實(shí)現(xiàn)速度的PI控制,并將PI控制器的輸出值作為PWM控制信號(hào)的占空比。PWM信號(hào)產(chǎn)生程序利用PLC的PWM功能指令產(chǎn)生周期一定、占空比可調(diào)的PWM信號(hào) [2] ?。

程序首先對高速計(jì)數(shù)器、PWM信號(hào)發(fā)生器和PID參數(shù)表進(jìn)行初始化。然后設(shè)置定時(shí)中斷,并啟動(dòng)定時(shí)器開始定時(shí)。接下來判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,若正轉(zhuǎn),則判斷正轉(zhuǎn)高速計(jì)數(shù)器是否發(fā)生中斷,否則判斷反轉(zhuǎn)高速計(jì)數(shù)器是否發(fā)生中斷。高速計(jì)數(shù)器一旦發(fā)生中斷,立即讀取定時(shí)器的當(dāng)前值,作為計(jì)算轉(zhuǎn)速的時(shí)間值。之后判斷是否發(fā)生定時(shí)中斷,若是則執(zhí)行定時(shí)中斷程序,定時(shí)中斷程序主要工作為定時(shí)器清零、高速計(jì)數(shù)器清零并重新啟動(dòng)、計(jì)算轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)化、執(zhí)行PID指令、輸出值轉(zhuǎn)換及執(zhí)行PWM指令,繼而輸出PWM控制信號(hào),否則繼續(xù)判斷是否發(fā)生中斷 [2] ?。

轉(zhuǎn)速檢測程序

轉(zhuǎn)速的檢測主要是通過光電編碼器和PLC的高速計(jì)數(shù)功能來實(shí)現(xiàn)的。光電編碼器和電機(jī)同軸連接,電機(jī)每轉(zhuǎn)1圈,光電編碼器A,B兩路就產(chǎn)生一定數(shù)量的相位互差90°的正交脈沖。為此選擇高速計(jì)數(shù)器為A,B兩路正交計(jì)數(shù)工作方式。為使高速計(jì)數(shù)器正確工作,首先應(yīng)向高速計(jì)數(shù)器的控制字節(jié)寫入控制字,利用高速計(jì)數(shù)器的定義指令為所用的高速計(jì)數(shù)器選定工作模式,寫入高速計(jì)數(shù)器的設(shè)定值,把當(dāng)前值清零,采用當(dāng)前值等于設(shè)定值的中斷事件,建立中斷連接,然后啟動(dòng)高速計(jì)數(shù)器。同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器,當(dāng)高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值等于設(shè)定值時(shí),產(chǎn)生中斷,并同時(shí)把定時(shí)器的當(dāng)前值讀出來,作為產(chǎn)生所設(shè)定脈沖數(shù)的時(shí)間,從而可計(jì)算出轉(zhuǎn)速。為提高測量精度,減少測量誤差,可使用多個(gè)高速計(jì)數(shù)器,每個(gè)高速計(jì)數(shù)器檢測不同時(shí)間范圍的脈沖數(shù)。鑒于S7-200PLCCPU224有4個(gè)高速計(jì)數(shù)器具有A,B兩路正交計(jì)數(shù)方式,程序采用了4個(gè)高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)量,然后取其平均值。

淺談直流電動(dòng)機(jī)pwm原理

1.脈寬 調(diào) 制 (PWM)是利用數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。PWM 具有很強(qiáng)的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。模擬控制電路有以下缺陷:模擬電路容易隨時(shí)間漂移，會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而在用了PWM技術(shù)后，避免了以上的缺陷，實(shí)現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬信號(hào)，可以大幅度降低成本和功耗。

2.直流無刷電機(jī)

直流無刷電機(jī)由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。直流電源通過開關(guān)線路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置由位置傳感器檢測并提供信號(hào)去觸發(fā)開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件使之導(dǎo)通或截止，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在應(yīng)用實(shí)例中，磁極旋轉(zhuǎn)，電樞靜止，電樞繞組里的電流換向借助于位置傳感器和電子開關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的電樞繞組作成三相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，與轉(zhuǎn)子軸相連的位置傳感器采用霍爾傳感器。3600范圍內(nèi)，兩兩相差1200安裝，共安裝三個(gè)。為了提高電機(jī)的特性，電機(jī)采用二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的工作方式。開關(guān)電路采用三相橋式接線方式。

調(diào)速以及穩(wěn)速控制

在調(diào) 速 電 路中，主要采用時(shí)基電路LM555和脈寬調(diào)制器SG1525來完成，LM555用于產(chǎn)生一個(gè)占空比一定、且有固定頻率的方波信號(hào)。SG1525為單片脈寬調(diào)制型控制器芯片，具有輸出5.1V 的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源，誤差放大器、振蕩頻率在100^ 400kHz范圍內(nèi)的鋸齒波振蕩器、軟啟動(dòng)電路、關(guān)閉電路、脈寬調(diào)制比較器、RS寄存器以及保護(hù)電路等。它解決了PWM電路的集成化問題，在實(shí)例中用此芯片來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速。在具體的電路中，首先對位置傳感器信號(hào)進(jìn)行整形，形成所需要的前后沿很陡，具有一定寬度的波形。經(jīng)微分電路微分，產(chǎn)生的微分脈沖去觸發(fā)時(shí)基電路LM555，形成占空比為2:1的方波，方波頻率約為200Hzo

此方波頻率計(jì)算公式為:f= n * p/ 60式中，Y1為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速r/min, f為位置傳感器輸出信號(hào)的頻率、P為電機(jī)的極對數(shù)。方 波 經(jīng) 濾波器濾波后，形成直流電壓送人脈寬調(diào)制器，與脈寬調(diào)制器的反饋電壓進(jìn)行比較，利用得到的誤差信號(hào)去控制脈寬調(diào)制器輸出的調(diào)制方波脈沖的寬度變化，即PWM輸出脈沖占空比的變化，利用占空比的變化調(diào)整加在電機(jī)電樞繞組上的電壓，改變電壓隨即改變電機(jī)電流，轉(zhuǎn)速依據(jù)電流的大小來改變。

結(jié)束語：在應(yīng)用實(shí)例中，PWM對調(diào)速系統(tǒng)來說，有如下優(yōu)點(diǎn):系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定精度等指標(biāo)比較好;電樞電流的脈動(dòng)量小，容易連續(xù)，而且可以不必外加濾波電抗也可以平穩(wěn)工作;系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬;使用元件少、線路簡單。

pwm應(yīng)用詳解

PWM是一種對模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。

　　圖1顯示了三種不同的PWM信號(hào)。圖1a是一個(gè)占空比為10%的PWM輸出，即在信號(hào)周期中，10％的時(shí)間通，其余90％的時(shí)間斷。圖1b和圖1c顯示的分別是占空比為50%和90%的PWM輸出。這三種PWM輸出編碼的分別是強(qiáng)度為滿度值的10%、50%和90%的三種不同模擬信號(hào)值。例如，假設(shè)供電電源為9V，占空比為10%，則對應(yīng)的是一個(gè)幅度為0.9V的模擬信號(hào)。

　　?是一個(gè)可以使用PWM進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的簡單電路。圖中使用9V電池來給一個(gè)白熾燈泡供電。如果將連接電池和燈泡的開關(guān)閉合50ms，燈泡在這段時(shí)間中將得到9V供電。如果在下一個(gè)50ms中將開關(guān)斷開，燈泡得到的供電將為0V。如果在1秒鐘內(nèi)將此過程重復(fù)10次，燈泡將會(huì)點(diǎn)亮并象連接到了一個(gè)4.5V電池(9V的50%)上一樣。這種情況下，占空比為50%，調(diào)制頻率為10Hz。

3、特點(diǎn)

PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。
對噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。

PWM控制直流電動(dòng)機(jī)

直流調(diào)速器就是調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)速度的設(shè)備，上端和交流電源連接，下端和直流電動(dòng)機(jī)連接，直流調(diào)速器將交流電轉(zhuǎn)化成兩路輸出直流電源，一路輸入給直流電機(jī)礪磁（定子），一路輸入給直流電機(jī)電樞（轉(zhuǎn)子），直流調(diào)速器通過控制電樞直流電壓來調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。同時(shí)直流電動(dòng)機(jī)給調(diào)速器一個(gè)反饋電流，調(diào)速器根據(jù)反饋電流來判斷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速情況，必要時(shí)修正電樞電壓輸出，以此來再次調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

直流電機(jī)的調(diào)速方案一般有下列3種方式：

1、改變電樞電壓；

2、改變激磁繞組電壓；

3、改變電樞回路電阻。

使用單片機(jī)來控制直流電機(jī)的變速，一般采用調(diào)節(jié)電樞電壓的方式，通過單片機(jī)控制PWM1，PWM2,產(chǎn)生可變的脈沖，這樣電機(jī)上的電壓也為寬度可變的脈沖電壓。根據(jù)公式

U=aVCC

其中：U為電樞電壓；a為脈沖的占空比（0

電動(dòng)機(jī)的電樞電壓受單片機(jī)輸出脈沖控制，實(shí)現(xiàn)了利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）進(jìn)行直流電機(jī)的變速。

因?yàn)樵贖橋電路中，只有PWM1與PWM2電平互為相反時(shí)電機(jī)才能驅(qū)動(dòng)，也就是PWM1與PWM2同為高電平或同為低電平時(shí)，都不能工作，所以上圖中的實(shí)際脈沖寬度為B，

我們把PWM波的周期定為1ms，占空比分100級可調(diào)（每級級差為10%），這樣定時(shí)器T0每0.01ms產(chǎn)生一次定時(shí)中斷，每100次后進(jìn)入下一個(gè)PWM波的周期。上圖中，占空比是60%，即輸出脈沖的為0.6ms，斷開脈沖為0.4ms，這樣電樞電壓為5*60%=3V。

我們討論的是可以正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的，如果只按一個(gè)方向轉(zhuǎn)，我們就只要把PWM1置為高電平或低電平，只改變另一個(gè)PWM2電平的脈沖變化即可，，如下圖（Q4導(dǎo)通，Q3閉合，電機(jī)只能順時(shí)針調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)速度）

C語言代碼：

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit K5=P1^4;

sbit K6=P1^5;

sbit PWM1=P1^0;

sbit PWM2=P1^1;

sbit FMQ=P3^6;

uchar ZKB1,ZKB2;

void delaynms(uint aa)

{

??uchar bb;

??while(aa--)

??{

???for(bb=0;bb<115;bb++)?????//1ms基準(zhǔn)延時(shí)程序

???{
????;

???}

??}
?

}

　　void delay500us（void）

　　{

　　int j;

　　for（j=0;j《57;j++）

　　{

　　;

　　}

　　}

　　void beep（void）

　　{

　　uchar t;

　　for（t=0;t《100;t++）

　　{

　　delay500us（）;

　　FMQ=！FMQ; //產(chǎn)生脈沖

　　}

　　FMQ=1; //關(guān)閉蜂鳴器

　　delaynms（300）;

　　}

　　void main（void）

　　{

　　TR0=0; //關(guān)閉定時(shí)器0

　　TMOD=0x01; //定時(shí)器0，工作方式1

　　TH0=（65526-100）/256;

　　TL0=（65526-100）%256; //100us即0.01ms中斷一次

　　EA=1; //開總中斷

　　ET0=1; //開定時(shí)器0中斷

　　TR0=1; //啟動(dòng)定時(shí)器T0

　　ZKB1=50; //占空比初值設(shè)定

　　ZKB2=50; //占空比初值設(shè)定

　　while（1）

　　{

　　if（！K5）

　　{

　　delaynms（15）; //消抖

　　if（！K5） //確定按鍵按下

　　{

　　beep（）;

　　ZKB1++; //增加ZKB1

　　ZKB2=100-ZKB1; //相應(yīng)的ZKB2就減少

　　}

　　}

　　if（！K6）

　　{

　　delaynms（15）; //消抖

　　if（！K6） //確定按鍵按下

　　{

　　beep（）;

　　ZKB1--; //減少ZKB1

　　ZKB2=100-ZKB1; //相應(yīng)的ZKB2增加

　　}

　　}

　　if（ZKB1》99）

　　ZKB1=1;

　　if（ZKB1《1）

　　ZKB1=99;

　　}

　　}

　　void time0（void） interrupt 1

　　{

　　staTIc uchar N=0;

　　TH0=（65526-100）/256;

　　TL0=（65526-100）%256;

　　N++;

　　if（N》100）

　　N=0;

　　if（N《=ZKB1）

　　PWM1=0;

　　else

　　PWM1=1;

　　if（N《=ZKB2）

　　PWM2=0;

　　else

　　PWM2=1;

　　}

　　//顯現(xiàn)：電機(jī)轉(zhuǎn)速到最高后，也就是N為1或99時(shí)，再按一下，就變到99或1，

　　//電機(jī)反方向旋轉(zhuǎn)以最高速度