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PWM控制電機轉(zhuǎn)速的原理與應(yīng)用

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2022-06-26 19:47:55    作者:百里羽健    瀏覽次數(shù):57
導讀

PWM有著非常廣泛得應(yīng)用,比如直流電機得無極調(diào)速,開關(guān)電源、逆變器等等,個人認為,要充分理解或掌握模擬電路、且有所突破,很有必要吃透這三個知識點:PWM電感紋波PWM是一種技術(shù)手段,PWM波是在這種技術(shù)手段控制下

PWM有著非常廣泛得應(yīng)用,比如直流電機得無極調(diào)速,開關(guān)電源、逆變器等等,個人認為,要充分理解或掌握模擬電路、且有所突破,很有必要吃透這三個知識點:

  • PWM
  • 電感
  • 紋波

    PWM是一種技術(shù)手段,PWM波是在這種技術(shù)手段控制下得脈沖波,如果你不理解是把握不住PWM波得!

    如圖1所示,這種比喻很形象也很恰當,希望對學習得朋友有所幫助與啟發(fā)。

    圖1:形象得比喻

    PWM全稱Pulse Width Modulation:脈沖寬度調(diào)制(簡稱脈寬調(diào)制,通俗得講就是調(diào)節(jié)脈沖得寬度),是電子電力應(yīng)用中非常重要得一種控制技術(shù),在理解TA之前我們先來了解幾個概念 。

    理解PWM可以參考這些文章怎么把PWM信號轉(zhuǎn)為模擬量淺析PWM控制電機轉(zhuǎn)速得原理PWM原理及其應(yīng)用

    脈沖波得基本信息如圖2所示:

    圖2:脈沖波得基本信息

  • 脈沖周期T:單位是時間,比如納秒ns、微秒μs、毫秒ms等;
  • 脈沖頻率f:單位是赫茲Hz、千赫茲kHz等,與脈沖周期成倒數(shù)關(guān)系,即f=1/T;
  • 脈沖寬度W:簡稱脈寬,是脈沖高電平持續(xù)得時間,單位是時間,比如納秒ns、微秒μs、毫秒ms等;
  • 占空比D:脈寬除以脈沖周期得到得值,百分數(shù)表示,比如50%,也常有小數(shù)或分數(shù)表示得,比如0.5或1/2。

    以上之間得關(guān)系如圖3所列得公式:

    圖3:公式

    工程應(yīng)用中得PWM波是幅值、周期(或頻率)不變,脈寬(或占空比)可調(diào)得脈沖波,接下來我們來認清該PWM波到底是什么,TA隱藏著什么思想?

    當我們想要控制一個直流電機得轉(zhuǎn)速,我們可以通過改變其兩端電壓即可,但是該種方法有很大得局限性,可調(diào)直流電源構(gòu)造復雜、成本高昂,應(yīng)用起來很不現(xiàn)實。

    所以我們采用另外得控制方式:電壓源→驅(qū)動器→直流電機,電壓源提供直流電壓,不同得驅(qū)動器控制不同得直流電機,應(yīng)用非常靈活,其中驅(qū)動器對電機得調(diào)速控制就是利用PWM:STM32通過PWM控制電機速度。

    可調(diào)直流電源控制與PWM控制都是能調(diào)速得,那么它們有什么相同之處呢?

    如圖4—圖7,電機為某相同轉(zhuǎn)速時,紅色代表驅(qū)動器輸出幅值不變得PWM波,藍色代表可調(diào)直流電源輸出得電壓,兩者都是直接作用到負載。

    圖4

    圖5

    圖6

    圖7

    由以上得知:

    當PWM波得占空比越大時,所對應(yīng)得直流電壓與PWM波得幅值越接近;反之與0V越接近。

    周期得紅色PWM波脈寬下得矩形面積之和與藍色直流電壓得面積相等,即伏秒積相等:

    U紅(幅值) × ton = U藍 × T

    兩端同時除以T,得到如下關(guān)系式:

    U紅(幅值) × 占空比 = U藍

    例如當PWM波得幅值為24V,占空比為50%時,與直流電壓12V作用到電機上所產(chǎn)生得效果是一模一樣得,即速度相同,即24V×50%=12V。

    另外,既然滿足這個關(guān)系,那PWM波得頻率是不是可以隨意了,答案當然不是,頻率太低會導致電機運轉(zhuǎn)不暢,振動大,噪音大;頻率太高會導致驅(qū)動器開關(guān)損耗較大,甚至有電機會嘯叫而不轉(zhuǎn)得情況。

    一般1k~30k得PWM頻率較為普遍,幾百Hz得也有,實際上還是根據(jù)電機功率在測試時確定合適得PWM頻率范圍為宜。

    如圖8為實物測試,脈寬在變化,周期不變得PWM波,所加負載如圖9所示。

    圖8:扭動旋鈕控制脈寬變化

    如圖9為實物測試,有刷直流電機得PWM無極調(diào)速,其中LED是并聯(lián)在電機輸入端得,其亮度反映電機速度得變化。

    圖9:PWM控制電機調(diào)速

    要點:

  • PWM波其實就是一種脈寬可連續(xù)調(diào)節(jié)得矩形脈沖波;
  • 占空比其實就是描述脈寬與脈沖周期得比值,是量化值,便于分析研究,當我們用占空比來表達時,對脈寬就不那么關(guān)心了;
  • 占空比調(diào)節(jié)就是脈寬調(diào)節(jié),表達不一樣,但本質(zhì)是一樣得;
  • PWM波滿足伏秒積計算:U紅(幅值) × 占空比 = U藍,作用效果與直流電壓一樣。

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    (文/百里羽健)
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