直流電機(jī)驅(qū)動及低轉(zhuǎn)速控制的實(shí)現(xiàn)

桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 于新業(yè) 易 藝 馬姝靚

1.引言

電機(jī)是控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，小型直流電機(jī)由于其價格低廉而得到廣泛的應(yīng)用。而目前市場上所售的直流電機(jī)除減速電機(jī)外，一般轉(zhuǎn)速都比較高，當(dāng)供電電壓達(dá)到某值（“閾值”）時才能被啟動，而且電機(jī)一旦啟動，轉(zhuǎn)速就非常快。雖然直流電機(jī)具有較好的調(diào)節(jié)特性（電機(jī)轉(zhuǎn)速與供電電壓成正比），但前提條件是電機(jī)已經(jīng)正常啟動。在實(shí)際的控制系統(tǒng)中往往需要較寬的調(diào)速范圍，如智能小車的控制，除了要對其較高速度段的速度進(jìn)行控制外，低速段的控制也極為重要。因此，本文針對直流電機(jī)低轉(zhuǎn)速控制難和控制范圍窄的問題，在分析幾種直流電機(jī)硬件驅(qū)動方法的基礎(chǔ)上，提出了直流電機(jī)低轉(zhuǎn)速控制的方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.直流電機(jī)驅(qū)動電路

直流電機(jī)硬件驅(qū)動電路種類很多，其中最常見的有經(jīng)濟(jì)型驅(qū)動、T形橋驅(qū)動和H橋驅(qū)動共三種。

2.1 經(jīng)濟(jì)型驅(qū)動

該驅(qū)動方法只使用一只開關(guān)管（達(dá)林頓三極管或MOS管）完成驅(qū)動，通過控制開關(guān)管的通斷來接通或關(guān)斷電機(jī)，其驅(qū)動電路如圖1所示。其優(yōu)點(diǎn)是使用的開關(guān)元件少、線路簡單、成本低、可以實(shí)現(xiàn)簡單的調(diào)速，電機(jī)的一端接地，便于引出反饋信號。缺點(diǎn)是只能控制電機(jī)單方向旋轉(zhuǎn)。

2.2 T形橋驅(qū)動

T形橋驅(qū)動方式采用兩只開關(guān)管完成驅(qū)動，通過控制開關(guān)管的通斷可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的可逆供電以實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制，其驅(qū)動電路如圖2所示。當(dāng)SW1導(dǎo)通時，電機(jī)M承受正向電壓（正轉(zhuǎn)）；當(dāng)SW2導(dǎo)通時，電機(jī)M承受反向電壓（反轉(zhuǎn)）。其優(yōu)點(diǎn)是使用的開關(guān)元件較少、成本較低、線路簡單、可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制，電機(jī)的一端接地，便于引出反饋信號。缺點(diǎn)是需要正、負(fù)兩個極性的電源供電，三極管或MOS管要承受兩倍電源電壓。

2.3 H橋驅(qū)動

H橋驅(qū)動方式采用四只開關(guān)管實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制，其驅(qū)動電路如圖3所示。其優(yōu)點(diǎn)是只需要單極性電源就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制，而且元件的耐壓值要求低。缺點(diǎn)是所用的開關(guān)元件較多，電路較復(fù)雜，電樞兩端浮地。在H橋驅(qū)動電路中，四只開關(guān)管的通、斷狀態(tài)組合可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四種運(yùn)行模式，其工作狀態(tài)真值表如表1所列。

3.直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理

直流電機(jī)調(diào)速常采用PWM（脈沖寬度調(diào)制）方法，對于經(jīng)濟(jì)型直流電機(jī)驅(qū)動一般采用單極性PWM控制。其方法是通過改變電機(jī)電樞接通時間與通電時間的比值（占空比）來控制電機(jī)的速度?；驹砣鐖D4所示。

加載到電機(jī)電樞上的脈沖信號周期為T，當(dāng)通電時，電機(jī)速度增加；斷電時，電機(jī)速度逐漸降低。只要按照一定的規(guī)律，改變開關(guān)管的通電和斷電時間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)通電時間為T，此時電機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速Vmax，占空比為D=t1/T，則電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速應(yīng)為Vd=Vmax·D。

對于T形橋驅(qū)動方式的直流電機(jī)調(diào)速一般采用雙極性PWM控制，如圖5所示。電機(jī)不斷的正向和反向通電，此時電機(jī)只有在脈沖信號占空比為50%時，通電和斷電的時間相同從而使電機(jī)正向和反向作用相互抵消，電機(jī)才能停轉(zhuǎn)，占空比大于50%時電機(jī)將正轉(zhuǎn)，占空比小于50%時電機(jī)將反轉(zhuǎn)。

采用H橋驅(qū)動方式進(jìn)行調(diào)速時，一組對角的橋臂工作（正轉(zhuǎn)），另一組對角的橋臂應(yīng)該可靠關(guān)斷，此時工作的橋臂也可采用PWM控制，此時的PWM選用單極性方式；同理，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時，對應(yīng)的工作橋臂的工作狀態(tài)相互對調(diào)即可。

表1 直流電機(jī)H橋工作狀態(tài)真值表

圖1 經(jīng)濟(jì)型驅(qū)動電路圖

圖2 T形橋驅(qū)動電路圖

圖3 H橋驅(qū)動電路圖

圖4 脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)原理圖

圖5 雙極性PWM控制原理圖

4.直流電機(jī)低轉(zhuǎn)速控制方法

由于目前市場所售的小型直流電機(jī)大部分都是高速電機(jī)（除減速電機(jī)——帶有減速齒輪的電機(jī)），即當(dāng)電機(jī)的供電電壓低于某值（“閾值”）時電機(jī)不轉(zhuǎn)（死區(qū)），而當(dāng)供電電壓高于該值時電機(jī)的轉(zhuǎn)速已經(jīng)很快，所以要實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行靠改變電機(jī)供電電壓的方法是很難實(shí)現(xiàn)的。而經(jīng)濟(jì)型驅(qū)動電路采用單極性PWM控制方法進(jìn)行低速控制時，需要減少通電時間，等待電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到“死區(qū)”后才能實(shí)現(xiàn)，因此，采用這種方法控制的電機(jī)在低速運(yùn)行時會明顯的看到電機(jī)轉(zhuǎn)速忽高忽低的波動狀態(tài)。

圖6 直流電機(jī)低轉(zhuǎn)速控制PWM產(chǎn)生流程圖

圖7 直流電機(jī)低轉(zhuǎn)速控制仿真圖

采用T形橋驅(qū)動電路可以使用雙極性PWM控制方法進(jìn)行低速控制，只要選擇合適的脈沖周期T，t1時間段電機(jī)正轉(zhuǎn)，t2時間段電機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)占空比略大于50%時，正轉(zhuǎn)程度比反轉(zhuǎn)程度大，所以電機(jī)在一個脈沖周期內(nèi)朝正方向正轉(zhuǎn)一很小的角度，當(dāng)按以上規(guī)律連續(xù)通電時便可實(shí)現(xiàn)慢速運(yùn)行。

由于采用T形橋驅(qū)動電路需要雙極性供電，電路復(fù)雜程度較高，因此H橋驅(qū)動方式在電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制和低速控制中顯示出了優(yōu)勢。采用H橋驅(qū)動電路雖然在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)任意一個狀態(tài)仍為單極性PWM，但方向切換比較容易，所以按照T形橋驅(qū)動電路的思想，電機(jī)在任何時刻不是工作在正轉(zhuǎn)狀態(tài)，就是工作在反轉(zhuǎn)狀態(tài)。采用在一個脈沖周期內(nèi)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時間相等則停轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)時間大于反轉(zhuǎn)時間則正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)時間大于正轉(zhuǎn)時間則反轉(zhuǎn)的控制方法進(jìn)行控制，便可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的低轉(zhuǎn)速控制。

5.直流電機(jī)低轉(zhuǎn)速控制仿真實(shí)現(xiàn)

無論采用T形橋還是H橋進(jìn)行直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，只要能夠?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的對應(yīng)抵消效果，便可實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的控制，其程序流程圖如圖6所示。

流程圖中Period為PWM信號的周期，為表示方便將其設(shè)為100，Counter為當(dāng)前值計數(shù)器，Duty為占空比，初始設(shè)為50，此時電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時間相等，作用剛好抵消，處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)。改變占空比便可改變電機(jī)正反向轉(zhuǎn)動及其速度。

對于H橋驅(qū)動電路，其正反轉(zhuǎn)控制可以使用正脈沖邏輯驅(qū)動各橋臂的開關(guān)管，方便實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。而對于T形橋驅(qū)動電路，由于負(fù)電源的存在，需要將單片機(jī)的輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即0對應(yīng)輸出負(fù)電壓，1對應(yīng)輸出正電壓（或反之）才能對T形橋進(jìn)行驅(qū)動，因此需要設(shè)計一個轉(zhuǎn)換電路。其仿真電路如圖7所示。

6.結(jié)論

直流電機(jī)在控制系統(tǒng)中的地位十分重要，其調(diào)速和定位是直流電機(jī)控制研究的主要內(nèi)容。本文對直流電機(jī)低轉(zhuǎn)速控制方法進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法簡單可行，且拓展了直流電機(jī)的調(diào)速范圍，在需要的場合加入閉環(huán)控制可以方便的進(jìn)行精確定位、控速，實(shí)現(xiàn)伺服控制，達(dá)到更好的控制效果。

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