直流电动机的PWM调压调速原理

直流电动机是最早实现方便调速的电动机。随着计算机进入控制领域，新型的功率电子器件不断出现，使用全控型开关功率器件进行脉宽调制（PWM）的控制方式已成为主流。直流电动机的控制方式发生了很大变化。

直流电动机转速n的表达式如下：

式中，U_o为电枢端电压；I为电枢电流；R为电枢电路总电阻；Φ为每极磁通量；K为电动机结构常数。

直流电动机的转速控制方法可分为两类：对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得较少。目前多数应用场合都使用电枢控制法。直流电动机多采用开关驱动方式，即使功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机的电枢电压，实现调速。

图6-20是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出的电压波形。当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压U_s。

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图6-20 直流电动机PWM调速控制

经过t₁后，栅极输入变为低电平，电动机电枢绕组两端的电压为0。经过t₂后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样对应输入U_i电平的高低，直流电动机电枢绕组两端的电压U_o波形如图6-20所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值如下式所示：

式中，α为占空比（Duty Cy cle），α=t₁/T。

占空比α表示在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。α的变化范围为0≤α≤1。由此式可知，在电源电压U_s不变的情况下，电枢绕组两端的电压平均值U_o取决于占空比α的大小，改变α值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速的原理。

在PWM调速时，占空比α是一个重要参数。目前广泛采用的改变占空比的方法为定频调宽法。这种方法是使PWM周期T（或频率）保持不变，而改变t₁和t₂。PWM频率一般为10～20 kHz。