基于PWM的樹莓派控制電機(jī)調(diào)速

最近在尋思用樹莓派控制電機(jī)速度，電機(jī)預(yù)估電壓是24V，電流是10A，以這樣的配置需要個無極調(diào)速控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，看了下相關(guān)的控制器價格也不貴，十多塊錢就能整一塊。然后，相關(guān)的無極調(diào)速有提供PWM控制的。

然后說到調(diào)速控制這一塊，一般來說，低功率電路，比如5V/1A，3V/1A這樣的電路，通常直接接個電位器進(jìn)行控制就行了，而對于大功率電路，比如100W，200W這樣的，通常來說就需要個通過低電壓控制高電壓電路了。一般來說，直接通過一個大功率三極管就能通過低電壓的無極電壓電流調(diào)節(jié)從而控制高電壓電流的電路。但是實際上的放大電路還是比較復(fù)雜的，我非科班出身，關(guān)于這塊目前也沒有做過深入研究其根本原因和原理，暫且不談。另外就是數(shù)字電路來控制大功率電器，那么也需要低電壓通過放大電路來進(jìn)行控制。

以此為前提，那么就問題來了，數(shù)字電路怎么能做到控制電壓電流大小。首先看物理電位器的調(diào)節(jié)原理就是控制電路中的電阻來控制整個電路中的電流和電壓大小，這個好理解。而在數(shù)字電路中，則是通過PWM（Pulse width modulation），中文意思是脈沖寬度調(diào)制。

PWM

從字面理解PWM，一開始看到其實是不太好理解的，我一開始也是弄得云里霧里的，這里用我自己所理解的方式進(jìn)行梳理一下。

首先：

數(shù)字電路輸出都是高/低電平，高電平可以假定為1，低電平假定為0，也就是低電平情況電路中沒有電流電壓流動。至于具體的這個高電平，對應(yīng)的是多少電壓，那么我這以樹莓派為例，樹莓派有好幾個引腳，有的引腳輸出的是3.3V電壓，有的引腳輸出的是5V，那么對應(yīng)的相關(guān)高低電平就是：3.3:0，5:0。

數(shù)字電路是有頻率的，這個以我的理解，就是一個時鐘周期（1秒）內(nèi)電流分成多少次流動，也就是一個時鐘周期內(nèi)電流分成多少次傳遞，如10MHZ，那么就是一個時鐘周期內(nèi)把電流分成10M次進(jìn)行傳遞。

然亦有以上兩點(diǎn)基礎(chǔ)知識之后，那么就很容易理解PWM了。理解PWM之前，還需要理解個叫做空占比的概念?？照急鹊囊馑际窃趩挝粫r間內(nèi)輸出的低電平次數(shù)占所有電平次數(shù)（高電平輸出次數(shù)+低電平輸出次數(shù)）的比率，如10MHZ的電路，如果空占比為0.1，那么就有1M次是輸出低電平的，9M次是輸出高電平的。

PWM的理念就是，本來是5V/16MA的電路，那么，我在單位時間內(nèi)，本來10M次都是輸出高電平，但是假設(shè)空占比為0.8，也就是說，相當(dāng)于這10M次其中有8M=10M*0.8次是輸出低電平。然后就顯而易見的可知，單位時間內(nèi)流過的電流為2M=10M-8M次，也就是實際在單位時間內(nèi)傳送電流的時間只占了0.2。也就是說，原本的5V/16MA的電路如今在單位時間內(nèi)就傳送了5V/16MA*0.2=1V/3.2MA，從而達(dá)到了降壓限流的目的了。

程序控制空占比

如果說樹莓派的話，本身是有幾個接口可以調(diào)用系統(tǒng)提供的庫來直接輸出PWM的，拋開這點(diǎn)不談，如果說自己來處理的話，用程序來控制，類似于如下偽代碼：

頻率 = 10MHZ

一個電平在單位時間內(nèi)的傳送時間 = 1 / 頻率

空占比 = 0.8

while True：

輸出高電平（）

持續(xù)等到高電平輸出時間 = 一個電平在單位時間內(nèi)的傳送時間 * （1-空占比）

輸出低電平（）

持續(xù)等到低電平輸出時間 = 一個電平在單位時間內(nèi)的傳送時間 * 空占比

實際上PWM的算法有很多，而在不同的電路控制中可能會有不同的限制，如最簡單的例子，如LED燈控制，如果空占比為0.5，那么1秒內(nèi)，如果前面0.5秒輸出高電平，后面0.5秒輸出低電平。雖然來說，單位時間內(nèi)平均電壓和電流為實際電壓電流的一半，但是，人眼就非常明顯的能感受到LED在閃爍，因為人眼要能感受到畫面不閃爍，畫面刷新率最起碼要達(dá)到24HZ。所以，需要把高低電平在單位時間內(nèi)最起碼還要拆分成24份，然后每一份時間內(nèi)，再按照空占比進(jìn)行時間拆分，再在自己的時間內(nèi)輸出高電平和低電平。也就是說，把按照空占比輸出的高/低電平作為一個基礎(chǔ)操作的話，單位時間內(nèi)能做越多操作，電壓和電流也就越穩(wěn)定，當(dāng)然，這里我也只是在樹莓派上做了實際驗證，對于實際的相關(guān)數(shù)學(xué)驗證沒有做過。