直流电机的PWM冲调速控制技术

1、直流电机的PWM冲调速控制技术直流电机的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

2、度调变(Pulse Width Modulate 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（duty cycle）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1 PWM 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

3、为脉冲宽度调变，ON的期间称为工作周期(duty cycle)，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

4、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DC Motor 驱动

5、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.-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

6、，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

7、需要用三个信号控制：两个方向信号和一个致能信号。如果DIRL信号为0，DIRR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DIRL信号变为1，而DIRR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。8TA7257P直流电机驱动IC中文资料TA

8、7279P/TA7279AP直流电机驱动IC中文资料8电3. ZXMHC3A01T8ZXMHC3A01T8 是一颗MOSFET H-BRIDGE IC，参数如下 :N-Channel = VDSS = 30V; RDS(on) = 0.12; ID = 3.1AP-Channel = VDSS = -30V; RDS(on) = 0.21; ID = -2.3AP-Channel = Turn-off delay time 12.1 ns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，

9、再由MOSFET H-bridge 去驱动电机，之后电机会因MOSFET H-bridge 驱动后旋转，并且会回传路径 A 和 B 的两相讯号到Encoder Count ，Encoder Count 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channe

10、l A及 channel B 同时间信号为channel A = 1、 channel B = 0就是正转。图15、电机的channel A and channel B 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channel A and channel B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

11、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，

12、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

13、128 (7位)就足够了。我们将使用k代表输出的分辨率的位数。4.2.1 e(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e 接近k

14、 ，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4.2.2 Ki 的分辨率 。除数26可以用快速的右移运算执行。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）

15、。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。4.2.2 KD 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，