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PWM是如何调节直流电机转速的?电机正反转的原理又是怎样的?

时间:2023-11-24 13:35:10 来源:博亿堂byt98网址登陆 点击:1次

  电机是重要的执行机构,可以将电转转化为机械能,从而驱动被控设备的转动或者移动,在我们的生活中应用十分普遍。例如,应用在电动工具、电动平衡车、电动园林工具、儿童玩具中。直流电机的实物图如下图所示。

  对于普通的直流电机,在其两个电极上接上合适的直流电源后,电机就可以满速转动,电源反接后,电机就反向转动。但是在实际应用中,我们应该电机工作在不同的转速下,该如何操作呢?

  我们可以做这样的实验,以24V直流电机为例,在电机两端接上24V的直流电源,电机会以满速转动,如果将24V电压降至2/3即16V,那么电机就会以满速的2/3转速运转。由此可知,想要调节电机的转速,只需要控制电机两端的电压即可。

  以三极管作为驱动器件驱动小功率的电机,其电路原理图如下图所示。电机作为负载接在三极管的集电极上,基极由单片机控制。

  当单片机输出高电平时,三极管导通,使得电机得电,从而满速运行;当单片机输出低电平时,三极管截止,电机两端没有电压,电机停止转动。那如何使电机两端的电压发生明显的变化,进而控制电机的转速呢?

  只要单片机输出占空比可调的方波,即PWM信号即可控制电机两端的电压发生明显的变化,以此来实现电机转速的控制。

  所谓PWM,就是脉冲宽度调制技术,其具有两个很重要的参数:频率和占空比。频率,就是周期的倒数;占空比,就是高电平在一个周期内所占的比例。PWM方波的示意图如下图所示。

  在上图中,频率F的值为1/(T1+T2),占空比D的值为T1/(T1+T2)。通过改变单位时间内脉冲的个数能轻松实现调频;通过改变占空比能轻松实现调压。占空比越大,所得到的平均电压也就越大,幅值也就越大;占空比越小,所得到的平均电压也就越小,幅值也就越小。动图演示如图4所示。

  通过以上原理就不难得知,只要改变PWM信号的占空比,就能改变直流电机两端的平均电压,以此来实现直流电机的调速。

  前文说过,改变电机两端的电源极性能改变电机的转速,那么电路怎么来实现电机的正反转调速呢?这一定要通过H桥电路来实现。H桥的电路原理如下图所示。

  H桥电路由四个功率电子开关构成,可以是晶体管也可以是MOS管。电子开关两两构成桥臂,在同一时刻只要对角的两个电子开关导通,另外两个截止,且每个桥臂的上下管不能同时导通。通过这一个电路就能轻松实现电机的正反转调速。

  通过以上操作,即实现三极管Q2和Q3截止,三极管Q1和Q4导通,电流的流向如下:

  在这种情况下要实现电机转速的调节,只需要给Q4的基极加载PWM信号即可。

  通过以上操作,即实现三极管Q1和Q4截止,三极管Q2和Q3导通,电流的流向如下:

  在这种情况下要实现电机转速的调节,只需要给Q2的基极加载PWM信号即可。

  目前有很多电机专用驱动IC,体积小、控制简单,比用分离元器件所搭建的电路占有更大的优势。

  使用分离元器件时,必须要严控死区时间,也就是一定不可以让每个桥臂上的电子开关同时导通,这样轻易造成电源短路,电流过大把两个电子开关烧坏。而专用的驱动IC都有死区控制,比分离元器件电路更安全。

  分离元器件所搭建的驱动电路,所使用的元器件数目较多,体积较大。而专用驱动IC只需要一颗芯片即可,大大减小了体积、节省了PCB空间,使电路调试更容易。