直流電機(jī)PWM調(diào)速方法探討

一、引言

直流電機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動(dòng)機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣，過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，因?yàn)樾枰獫M足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對(duì)直流電機(jī)提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技的要求，這時(shí)候通過PWM方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法就應(yīng)運(yùn)而生。

采取傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下的缺陷：模擬電路容易隨時(shí)間飄移，會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對(duì)噪聲敏感等。而用PWM技術(shù)后，避免上述的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式控制模擬信號(hào)，可以大幅度減低成本和功耗。

二、H橋驅(qū)動(dòng)原理

圖1中所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“H橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠。

如圖1所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如，如圖2所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針方向）。

另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（逆時(shí)針方向）如圖3所示。

三、L298N H橋驅(qū)動(dòng)芯片介紹

L298N為SGS所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)二相或1個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè)H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)。其應(yīng)用如圖4所示：

OUT1～OUT4之間接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。IN1，IN2，IN3，IN4從單片機(jī)引入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB，接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。

對(duì)于電機(jī)的調(diào)速，我們采用PWM調(diào)速的方法。其原理就是開關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間為t，周期為T，則電機(jī)兩端電壓為U=Vcc*（t/T）=kVcc。

其中，k是占空比，Vcc是電源電壓，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)的越快。PWM配合橋式驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速非常簡單，且調(diào)速范圍大。

四、軟件設(shè)計(jì)

編程部分采用KELI-C51語言完成，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，劃分成成鍵盤輸入、按鍵識(shí)別和功能、PWM脈寬控制等模塊，現(xiàn)將主要函數(shù)做簡單介紹。

①PWM脈寬控制：本設(shè)計(jì)中采用軟件延時(shí)方式對(duì)脈沖寬度進(jìn)行控制，延時(shí)程序函數(shù)如下：

delays（）

{

uchar i；

for（i=5000；i>0；i--）；

}

②鍵盤中斷處理子程序：采用中斷方式，按下鍵，完成延時(shí)去抖動(dòng)、鍵碼識(shí)別、按鍵功能執(zhí)行。

要實(shí)現(xiàn)按住加/減速鍵不放時(shí)恒加或恒減速直到放開停止，就需在判斷是否松開該按鍵時(shí)，每進(jìn)行一次增加/減少一定的占空比。

中斷程序?qū)崿F(xiàn)如下：

uchar f=5；//計(jì)數(shù)的次數(shù)

sbit P10=P1^0；//PWM輸出波形1

sbit P11=P1^1；//PWM輸出波形2

sbit P12=P1^2；//正反轉(zhuǎn)

sbit P13=P1^3；//加速

sbit P14=P1^4；//減速

sbit P15=P1^5；//停止

sbit P16=P1^6；//啟動(dòng)

void t0（）interrupt 1 using 2

{

TH0=0xb1；//重裝t0

TL0=0xe0；

f--；

if（k==0）//控制正反轉(zhuǎn)

{

……

}

else

{

……

}

if（f==0）//輸出脈沖，重新裝t0初值

{

……

display（）；//顯示功能

}

}

五、小結(jié)

該方法經(jīng)過驗(yàn)證，達(dá)到直流電機(jī)調(diào)速效果，而且效果良好，用示波器可觀察到PWM驅(qū)動(dòng)波形。

參考文獻(xiàn)

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