PWM調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)原理分析

馬玉敏

【摘要】PWM調(diào)速系統(tǒng)是利用微處理器數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的調(diào)速技術(shù)，這種調(diào)速方式能使電機工作條件發(fā)生變化時電源輸出電壓依然相對恒定，且調(diào)速帶寬極大響應(yīng)速度快，平滑調(diào)速能力強，成為電機自動調(diào)速系統(tǒng)的主流形式。本文就PWM調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)原理進行了分析，對深入應(yīng)用PWM調(diào)速系統(tǒng)有一定指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】PWM；直流調(diào)速；平滑調(diào)速；實現(xiàn)原理

1.引言

在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事應(yīng)用、生活應(yīng)用中，對電力拖動的自動化要求越來越高，需要大量控制元件組成電機自動控制系統(tǒng)，對電機工況進行自動智能調(diào)節(jié)。在早期，主要采用晶閘管進行電子驅(qū)動，后來發(fā)展出雙向可控硅進行相位控制驅(qū)動，一直到上世紀(jì)80年代電機控制系統(tǒng)都由半控型功率器件主宰。在上世紀(jì)70年代中期，直流電機脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)開始出現(xiàn)，初期主要應(yīng)用于不可逆、小功率驅(qū)動之中，被應(yīng)用于軍事及空間技術(shù)等領(lǐng)域。近年來，隨著微電子技術(shù)和晶體管制作技術(shù)的提升，PWM調(diào)速技術(shù)得到了高速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴展至民用工業(yè)領(lǐng)域，其算法更為先進，調(diào)速可靠性和安全性也得到了極大的提升。

2.PWM調(diào)速系統(tǒng)工作原理

2.1 直流電機工作原理

直流電機是一種應(yīng)用廣泛的電能轉(zhuǎn)換器，多數(shù)直流電機都利用電磁形成方向不變的轉(zhuǎn)矩以進行連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動，其硬件結(jié)構(gòu)包括定子、主磁極、電刷、轉(zhuǎn)子、換向器幾個部分。電流首先由電刷A流入，再經(jīng)線圈，最后從電刷B流出，此時載流導(dǎo)體受到電磁力作用形成轉(zhuǎn)矩使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。換向器則配合電刷對電流進行換向，以使每個磁極下的線圈中電流始終向一個方向，最終電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

2.2 直流電機調(diào)速原理

根據(jù)直流電機工作原理，直流電機的調(diào)速可以通過調(diào)節(jié)供電電壓、改變電機主磁通、改變電樞回路電阻三種方法來實現(xiàn)。調(diào)節(jié)供電電壓主要是在額定電壓范圍內(nèi)降低電樞電壓，使電機的額定轉(zhuǎn)速下降，這種方法是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，這種方法需要大容量可調(diào)直流電源方可實現(xiàn)。改變電機主磁通的方法是一種通過減弱磁通進行調(diào)速的方法，這種方法為弱磁恒功率調(diào)速，能使電機在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)上調(diào)，所需直流電源容量較小但響應(yīng)速度較慢。改變電樞回路電阻則是在電機電樞回路上串連電阻，從而實現(xiàn)直流電機調(diào)速，這種調(diào)速方法實現(xiàn)容易但在調(diào)速電阻會消耗大量電能。目前在直流電機自動調(diào)速系統(tǒng)上，多采用調(diào)壓調(diào)速的方式，或者與改變電機主磁通的方法配合使用。

2.3 PWM調(diào)速系統(tǒng)工作原理

目前應(yīng)用較為廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng)有V-M系統(tǒng)，這種調(diào)速系統(tǒng)能實現(xiàn)平滑調(diào)速，但受其所采用的晶閘管單向?qū)щ娦缘挠绊?，這種調(diào)速方式不允許電流反向因而在電機可逆運行方面適用能力不足，且會產(chǎn)生較大的諧波電流，對電網(wǎng)質(zhì)量造成沖擊。PWM調(diào)速系統(tǒng)則是通過改變晶閘管導(dǎo)通時間，從而改變脈沖寬度來進行直流調(diào)速的方法，這種調(diào)速方法晶閘管并不受相位控制，而是受開關(guān)狀態(tài)影響，在高開關(guān)頻率下利用電樞電感濾波作用來獲得脈動極小的直流電流，從而有效提高調(diào)速范圍，降低電機損耗與發(fā)熱。采用PWM調(diào)速系統(tǒng)，除了可以利用PWM變換器來實現(xiàn)外，還可以利用單片機控制繼電器開合來實現(xiàn)，其智能水平和自動化能力更高。

3.PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

3.1 基本分析

在本文中，僅對PWM調(diào)速系統(tǒng)中的開環(huán)調(diào)速方式的硬件實現(xiàn)進行研究，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)僅改變驅(qū)動電路控制電壓，從而改變功率變換電路輸出平均電壓，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。這種調(diào)速系統(tǒng)控制電壓同輸出轉(zhuǎn)速之間處于順向作用關(guān)系，控制單方向進行，電機轉(zhuǎn)速不對控制電壓產(chǎn)生影響，控制電壓由給定電壓確定。在實踐應(yīng)用中，采用三級管構(gòu)成H型PWM調(diào)速電路，根據(jù)占空比來利用單片機來控制三極管開關(guān)狀態(tài)從而對直流電機轉(zhuǎn)速進行精確調(diào)節(jié)。采用H型電路，能極好的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向上的控制，調(diào)速響應(yīng)快、穩(wěn)定性好且調(diào)速范圍廣，具有極高的實用價值。

3.2 硬件電路實現(xiàn)

在PWM智能調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)中，其硬件電路主要包括時鐘電路、復(fù)位電路、輸入電路、單片機、驅(qū)動電路五大部分。其中驅(qū)動電路為可控開關(guān)元件，利用H橋電路構(gòu)建功率放大電路結(jié)構(gòu)。以單片機AT89C51為例，其核心即是利用單片機AT89C51的定時器來產(chǎn)生PWM脈沖波形，根據(jù)采集的轉(zhuǎn)速和需要的轉(zhuǎn)速進行比對，以比對的結(jié)果來利用調(diào)節(jié)PWM脈沖波形寬度，從而控制H橋電路中的可控開關(guān)元件通斷時間，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)制。

時鐘電路負責(zé)為整個系統(tǒng)的運行提供基準(zhǔn)時鐘控制信號，包括晶振和電容，晶振頻率越高則整個系統(tǒng)的時鐘頻率越高，AT89C51單片機則具有更高的處理速度。復(fù)位電路承擔(dān)單片機初始化操作，包括系統(tǒng)正常初始化和程序故障初始化，可設(shè)置按鍵手動復(fù)位操作。輸入電路承擔(dān)相應(yīng)的輸入功能，包括按鍵輸入功能和電機轉(zhuǎn)速采集數(shù)據(jù)輸入，根據(jù)輸入需要輸入電路的設(shè)計會有一定差異，但主要分為鍵盤輸入電路和電機轉(zhuǎn)速輸入電路兩個部分，分別承擔(dān)相應(yīng)信號輸入任務(wù)。

4.PWM調(diào)速系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

4.1 基本分析

PWM調(diào)速方式中，有雙極性和單極性兩種。雙極性調(diào)速方式在一個脈沖周期內(nèi)，單片機兩個控制分別輸出高低電平相反的控制信號，利用高電平時差來控制電機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速；單極性調(diào)速方式單片機一個控制口置于低電平狀態(tài)，另一控制口發(fā)送PWM信號，利用兩個控制口的輸出切換來控制電機轉(zhuǎn)向，利用PWM信號占空比控制電機轉(zhuǎn)速。相對來說，單極性調(diào)速方式更為穩(wěn)定可靠。在軟件實現(xiàn)上，一種可以采用定時器來進行脈寬控制，另一種則可以采用軟件延時來進行脈寬控制，不過采用定時器進行脈寬控制更為精確。在本文中，對采用定時器進行脈寬控制的單極性PWM調(diào)速方式的軟件實現(xiàn)原理進行分相反。

4.2 軟件運作機理

在整個PWM調(diào)速系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)中，包括鍵盤輸入程序、中斷處理程序、脈寬控制程序、鍵盤中斷處理程序、顯示處理程序等。在鍵盤輸入相應(yīng)指令時，單片機根據(jù)指令利用控制口輸出相應(yīng)的PWM脈沖，使H橋驅(qū)動電路開關(guān)狀態(tài)根據(jù)PWM脈沖發(fā)生變化，從而對電機轉(zhuǎn)速和方向進行控制。所產(chǎn)生的PWM脈沖為周期固定、占空比可調(diào)的脈沖系列，該脈沖序列的輸出電平維持時間受定時器控制，占空比由單片機內(nèi)部PWM輸出寄存器值決定，通過在設(shè)置單片機定時器初始值來進行占空比PWM輸出控制。

4.3 PWM脈沖帶寬控制策略

一個PWM脈沖周期，由高電平持續(xù)時間系數(shù)和低電平持續(xù)時間系統(tǒng)構(gòu)成，占空比為高電平持續(xù)時間系數(shù)除以高電平持續(xù)時間系數(shù)和低電平持續(xù)時間續(xù)數(shù)的總和。要對PWM脈沖帶寬進行定頻調(diào)寬，僅需改變?nèi)肿兞?，即高電平持續(xù)時間系數(shù)和低電平持續(xù)時間系數(shù)即可。當(dāng)電機啟動和停止運行時，使用漸變脈沖帶寬調(diào)整方式，當(dāng)電機啟動時使脈沖帶寬由勻加速狀態(tài)直到默認(rèn)速度，當(dāng)電機停止時則脈沖帶寬由當(dāng)前速度值逐步降至為零。通過漸變脈沖帶寬調(diào)整，能使電機速度變化更為平緩。同時，配合相應(yīng)的速度傳感器和距離傳感器等，對速度和距離進行相應(yīng)的計算，能有效的提高自動智能調(diào)速效率，保證電機工況的穩(wěn)定性和可靠性。

5.結(jié)束語

PWM調(diào)速技術(shù)是一種簡單、靈活、響應(yīng)速度好、調(diào)速范圍廣的調(diào)速控制技術(shù)，這種調(diào)整技術(shù)利用脈沖帶寬對直流電機轉(zhuǎn)速和方向進行控制，由于采用了高分辨率計算方法，利用占空比來對具體模擬信號進行編碼，在帶寬足夠的情況下可以滿足任何模擬值的編碼需要，能極好的實現(xiàn)電機負載的數(shù)字化自動調(diào)速控制，可以有效的降低噪聲影響，具有極高的實踐應(yīng)用價值。

參考文獻

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