PWM電機(jī)調(diào)速原理詳解介紹

電機(jī)是重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)或者移動(dòng)，在我們的生活中應(yīng)用非常廣泛。例如，應(yīng)用在電動(dòng)工具、電動(dòng)平衡車、電動(dòng)園林工具、兒童玩具中。

1-直流電機(jī)實(shí)物圖

對(duì)于普通的直流電機(jī)，在其兩個(gè)電極上接上合適的直流電源后，電機(jī)就可以滿速轉(zhuǎn)動(dòng)，電源反接后，電機(jī)就反向轉(zhuǎn)動(dòng)。但是在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要電機(jī)工作在不同的轉(zhuǎn)速下，該如何操作呢？

1 直流電機(jī)的調(diào)速原理

我們可以做這樣的實(shí)驗(yàn)，以24V直流電機(jī)為例，在電機(jī)兩端接上24V的直流電源，電機(jī)會(huì)以滿速轉(zhuǎn)動(dòng)，如果將24V電壓降至2/3即16V，那么電機(jī)就會(huì)以滿速的2/3轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。由此可知，想要調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，只需要控制電機(jī)兩端的電壓即可。

以三極管作為驅(qū)動(dòng)器件驅(qū)動(dòng)小功率的電機(jī)，其電路原理圖如下圖所示。電機(jī)作為負(fù)載接在三極管的集電極上，基極由單片機(jī)控制。

2-直流電機(jī)調(diào)速原理圖

當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，使得電機(jī)得電，從而滿速運(yùn)行；當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)，三極管截止，電機(jī)兩端沒有電壓，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。那如何使電機(jī)兩端的電壓發(fā)生變化，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速呢？

只要單片機(jī)輸出占空比可調(diào)的方波，即PWM信號(hào)即可控制電機(jī)兩端的電壓發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

2 PWM信號(hào)調(diào)速的原理

所謂PWM，就是脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，其具有兩個(gè)很重要的參數(shù)：頻率和占空比。頻率，就是周期的倒數(shù)；占空比，就是高電平在一個(gè)周期內(nèi)所占的比例。PWM方波的示意圖如下圖所示。

3-PWM的基本參數(shù)

在上圖中，頻率F的值為1/(T1+T2)，占空比D的值為T1/(T1+T2)。通過改變單位時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻；通過改變占空比可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。占空比越大，所得到的平均電壓也就越大，幅值也就越大；占空比越小，所得到的平均電壓也就越小，幅值也就越小。動(dòng)圖演示如圖4所示。

4-PWM調(diào)壓演示

通過以上原理就可以知道，只要改變PWM信號(hào)的占空比，就可以改變直流電機(jī)兩端的平均電壓，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。

前文說過，改變電機(jī)兩端的電源極性可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，那么電路如何實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)調(diào)速呢？這需要通過H橋電路來實(shí)現(xiàn)。H橋的電路原理如下圖所示。

5-H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路

H橋電路由四個(gè)功率電子開關(guān)構(gòu)成，可以是晶體管也可以是MOS管。電子開關(guān)兩兩構(gòu)成橋臂，在同一時(shí)刻只要對(duì)角的兩個(gè)電子開關(guān)導(dǎo)通，另外兩個(gè)截止，且每個(gè)橋臂的上下管不能同時(shí)導(dǎo)通。通過這個(gè)電路就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)調(diào)速。

3 PWM如何實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)調(diào)速

要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)只需要做如下設(shè)置即可：

A控制端 ：高電平，控制三極管Q4導(dǎo)通；

B控制端 ：高電平，控制三極管Q3截止；

C控制端 ：低電平，控制三極管Q1導(dǎo)通；

D控制端 ：低電平，控制三極管Q2截止；

通過以上操作，即實(shí)現(xiàn)三極管Q2和Q3截止，三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流的流向如下：

VCC→Q1→電機(jī)→Q4→GND，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的正轉(zhuǎn)。

6-H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)調(diào)速電路

在這種情況下要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，只需要給Q4的基極加載PWM信號(hào)即可。

4 PWM如何實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)調(diào)速

要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)只需要做如下設(shè)置即可：

A控制端 ：低電平，控制三極管Q4截止；

B控制端 ：低電平，控制三極管Q3導(dǎo)通；

C控制端 ：高電平，控制三極管Q1截止；

D控制端 ：高電平，控制三極管Q2導(dǎo)通；

通過以上操作，即實(shí)現(xiàn)三極管Q1和Q4截止，三極管Q2和Q3導(dǎo)通，電流的流向如下：

VCC→Q3→電機(jī)→Q2→GND，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的反轉(zhuǎn)。

7-H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)調(diào)速電路

在這種情況下要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，只需要給Q2的基極加載PWM信號(hào)即可。

5 電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)IC和分離元器件電路的對(duì)比

目前有很多電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)IC，體積小、控制簡(jiǎn)單，比用分離元器件所搭建的電路占有更大的優(yōu)勢(shì)。

專用IC優(yōu)勢(shì)之一：死區(qū)控制更容易

使用分離元器件時(shí)，必須要嚴(yán)格控制死區(qū)時(shí)間，也就是絕對(duì)不能讓每個(gè)橋臂上的電子開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，這樣容易導(dǎo)致電源短路，電流過大把兩個(gè)電子開關(guān)燒壞。而專用的驅(qū)動(dòng)IC都有死區(qū)控制，比分離元器件電路更安全。

8-電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)IC

專用IC優(yōu)勢(shì)之二：器件體積更小

分離元器件所搭建的驅(qū)動(dòng)電路，所使用的元器件數(shù)目較多，體積較大。而專用驅(qū)動(dòng)IC只需要一顆芯片即可，大大減小了體積、節(jié)省了PCB空間，使電路調(diào)試更容易。