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直流PWM调速

直流电机的PWM冲调速控制技术

时间：

2010-06-0510:

23:

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资料室  作者：

直流电机的PWM冲（宽度调变）调速控制技术

为调节马达转速和方向需要对其直流电压的大小和方向进行控制。

目前，常用大功率晶体管脉宽调制（PWM）调速驱动系统和可控硅直流调速驱动系统两种方式。

可控硅直流（SCR）驱动方式，主要通过调节触发装置控制SCR的导通角来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小，使直流电机电枢电压的变化易平滑调速。

由于SCR本身的工作原理和电源的特点，导通后是利用交流过零来关闭的，因此，在低整流电压时，其输出是很小的尖峰值的平均值，从而造成电流的不连续性。

由于晶体管的开关响应特性远比SCR好，因此前者的伺服驱动特性要比后者好得多。

所谓脉冲宽度调变（PulseWidthModulate简称PWM）信号就是一连串可以调整脉冲宽度的信号。

脉宽调变是一种调变或改变某个方波的简单方法。

在它的基本形式上，方波工作周期（dutycycle）是根据输入信号的变化而变化。

在直流电机控制系统中，为了减少流经电机绕线电流及降低功率消耗等目的，常常使用脉冲宽度调变信号（PWM）来控制交换式功率组件的开与关动作时间。

其最常使用的就是借着改变输出脉冲宽度或频率来改变电机的转速。

图1PWM脉冲宽度调变信号图

若将供应电机的电源在一个固定周期做ON及OFF的控制，则ON的时间越长，电机的转速越快，反之越慢。

此种ON与OFF比例控制速度的方法即称为脉冲宽度调变，ON的期间称为工作周期（dutycycle），以百分比表示。

若直流电机的供应电源电压为10伏特，乘以20%的工作周期即得到2伏特的输出至电机上，不同的工作周期对应出不同电压让直流电机转速产生不同的变化。

若直流电机的供应电源电压为10伏特，乘以20%的工作周期即得到2伏特的输出至电机上，不同的工作周期对应出不同电压让直流电机转速产生不同的变化。

PWM产生器方块图如下图所示，计数器采下数计数器与上数计数器的两种PWM讯号。

图2、PWM产生器方块图

与SCR调速单元相比，PWM调速控制有如下的特点：

1.电机损耗和噪声小。

晶体管开关频率很高，远比转子能跟随的频率高，也即避开了机械共振。

由于开关频率高，使得电枢电流仅靠电枢电感或附加较小的电抗器便可连续，所以电机损耗、发热小。

2.系统动态特性好，响应频率宽。

PWM控制方式的速度控制单元与较小惯量的电机匹配时，可以充分发挥系统的性能，从而获得很宽的频带。

频带越宽，伺服系统校正瞬态负载扰动的能力就越高。

新艺图库

3.低速时电流脉动和转速脉动都很小，稳速精度高。

4.功率晶体管工作在开关状态，其损耗小，电源利用率高，并且控制方便。

5.回应很快。

PWM控制方式，具有四象限的运行能力，即电机能驱动负载，也能制动负载，所以响应快。

6.功率晶体管承受高峰值电流的能力差。

二、DC电机的转向控制

一般在做DCMotor驱动时，如果只要单一向转动，只要在电机两端加上正负电压即可达成。

但是在需要有反向旋转能力时，就必须在电路运作中将电机电压反向，除了H-bridge可以达成外也可以使用继电器（Relay）来达成。

1.Ｈ-bridge动作原理

图3、H-Bridge电机驱动电路

图3为一个典型的H-Bridge电机驱动电路。

其动作原理如下图：

（1）当Q1,Q4晶体管ON而Q3,Q2为OFF，即可使电机正转。

图4、电机正转

（2）Q3,Q2为ON而Q1,Q4为OFF，则会造成电机反转

图5、电机反转

2.能控制和方向逻辑驱动电机时，保证H桥上两个同侧的晶体管不会同时导通非常重要。

如果晶体管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个晶体管直接回到负极。

此时，电路中除了晶体管外没有其它任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏晶体管。

基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制晶体管的开关。

图6所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。

4个与门同一个“致能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。

而2个非门通过提供一种方向输入，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个晶体管能导通。

（图6所示不是一个完整的电路图，特别是图中与门和晶体管直接连接是不能正常工作的。

）采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：

两个方向信号和一个致能信号。

如果DIR－L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么晶体管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图7所示）；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。

图6、具有致能控制和方向逻辑的H桥电路

图7、致能信号与方向信号的使用

实际使用时，用分立组件制作H桥是很麻烦的，现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。

常用的有L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。

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TA7257P直流电机驱动IC中文资料

TA7279P/TA7279AP直流电机驱动IC中文资料8电

3.ZXMHC3A01T8

ZXMHC3A01T8是一颗MOSFETH-BRIDGEIC，参数如下:

N-Channel=VDSS=30V;RDS（on）=0.12Ω;ID=3.1A

P-Channel=VDSS=-30V;RDS（on）=0.21Ω;ID=-2.3A

P-Channel=Turn-offdelaytime12.1ns

图8、ZXMHC3A01T8之导通内阻

4.电机的回授控制

图14是本专题的电机控制示意图。

由图14可知10kHz的PWM是由MCU内部硬件输出，再由MOSFETH-bridge去驱动电机，之后电机会因MOSFETH-bridge驱动后旋转，并且会回传路径A和B的两相讯号到EncoderCount，EncoderCount是由一颗CPLD构成，CPLD会自动累加计算目前电机所走的格数，以12Bit为输出讯号给予MCU的PID控制程序，PID会演算出目前该行走的速度，再加以控制MCU内部的PWM硬件缓存器，就这样一直反复的运算，来达到电机的伺服控制。

图14、电机回授控制示意图

电机回授的两相讯号A和B会传递给CPLD作为判断，CPLD利用两相讯号的相位差判断正转及反转，就如图15所示，假如channelA及channelB同时间信号为channelA=1、channelB=0就是正转。

图15、电机的channelAandchannelB信号（正反转）

判断正转反转数据后再将信号切割成4份，如图16所示，切成4份就会有相位改变的信号出现，之后CPLD内会有一个12Bit的计数器，累加相位改变的次数，去增加或者减少计数器内的数值。

图16、电机的channelAandchannelB信号（步数）

有了这些判断信号的方式，再加上多任务器能够一次判断两颗电机数据，如图17所示，SWDATA为多任务器，能够将分别不同组的电机输入信号所计数的数据，传递至相同的输出埠给予MCU，即可达成直流电机的速度控制。

图17、CPLD内部规划程序图

4.1电机控制器的设计

（1）比例控制器

电机的驱动力与误差成正比的回授控制方式如图18所示，比例控制的缺点是一定会存在稳态误差。

此外，当比例因子k太小时，上升时间太长；比例因子太大时则会产生如图19所示的振荡现象。

图18、比例控制器的驱动力与误差之间的关系

图19、不同比例因子下，比例控制器的响应图与稳态误差

（2）PD控制器

PD控制器在电机的驱动力与误差关系中加入微分项，如下:

PD控制器可以有效的提升系统响应的速度，但是仍然存在稳态误差的问题。

（3）PID控制器

本计划采用如图20所示的PID控制器，电机的驱动力与误差的关系如下:

或表示成离散的形式

图20、电机PID控制之示意图

采用PID控制可以有效改善稳态误差，同时降低系统达到稳态的时间，典型的P、PD及PID控制的响应如图21所示。

图21、P、PD及PID控制器的响应图与稳态误差

4.2输出的分辨率

由于计算机鼠是采用脉宽调制（PWM）控制的，输出是PWM信号的一个调整的工作周期。

因此，输出的真正的分辨率是由PWM的分辨率决定的。

显然，1位的分辨率（开关控制）是不够的。

在另一方面，1024的分辨率（10位元）是太多了，因为大多数机械系统的误差超过0.1％。

对于机械系统，其内在误差约为1％，因此作为PWM的分辨率设定为128（7位）就足够了。

我们将使用kτ代表输出的分辨率的位数。

4.2.1e（t）和Kp的分辨率

我们需要确定误差项e（t）的分辨率。

让我们考虑现行系统下，速度可达到x脉冲/秒（pps）。

这意味着误差项可达到2x（pps），因为电机可向前转或向后转。

接下来的因素是PID回路逻辑的运行速度。

设PID回路的频率f。

虽然实际的误差最多可以有2x（pps），由于每一次f次执行PID，因此误差只有2x/f（pps）。

例如，如果最高速度的可逆系统是1200（pps），PID回路的频率50Hz，范围只从-48到48，故可以用一个7位带符号整数表示。

因此，e（t）需要的位数为

如果eτ接近kτ，则Kp值必须不能太大。

这意谓你需要依靠Kp的分数以微调此项。

因此，Kp是PID回路的一个重要的系数。

许多小型的微控制器为了加速计算，通常不使用浮点数运算，而是采用整数/常数的计算。

例如，即使我们知道Kp值不超过4，

我们可以用8位来表示。

最不显著的（右边的）6位成为小数部分。

对于一个整数的二位模式101101012，代表的值为

。

除数26可以用快速的右移运算执行。

4.2.2Ki的分辨率

积分项Ki是非常重要，因为它使得系统得以到达设定值。

如果没有积分项，PID回路根本无法到达设定的参考信号。

积分项与误差的总和成正比。

误差的总和可以远大于误差项本身。

因此最好限制误差的总和（上限）。

积分项的范围应约为20倍误差的范围。

由误差的幅度来看，积分项没有分辨率的问题。

由于刚开始时误差的总和是较大的值，所以Ki系数必须是较小的数字。

这是容易做到的，只要让二进制左侧（最重要的）位代表Ki。

麻烦的是，我们现在有一个很大的数字乘以另一个大数字。

对于8位系统，这可能需要多费一点时间。

因此，一些控制系统选择忽略一些次要数字来加快计算。

4.2.2KD的分辨率

微分项是误差的改变。

虽然此项的大小可以和误差项本身有相同幅度，但通常它是非常小的（误差项的十分之一或更小）。

在一个连续系统，这不是一个问题，因为有无限的精度。

然而，在数位系统，在量化微分项的值时产生问题。

除了依靠行使PID期间的脉冲数外，我们也可以依靠脉冲之间的周期。

虽然周期与速度成反比，但在慢速时，和采用脉冲数比较它仍然较为准确。

考虑实际的例子，某系统预计为1000pps，这相当于每毫秒执行1次脉冲。

然而当系统速度下降依靠摩擦来完全停止，其速度会下降到一个小数目（如1）的脉冲/秒。

它成为不可能知道实际的速度。

但是使用定时器我们可以追踪脉冲之间的周期，并使用此周期推导出的实际速度。

如果考虑在最坏情况下，16位的计数器和50Hz的PID执行频率，最低频率为50Hz，而下一个最低的频率（由于数字化）是

。

分辨率增加7％，即使在依靠行使PID期间的脉冲数的方法失败的情况下。

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