智能汽车PWM技术导论

在智能汽车数字驱动控制系统中,可通过单片机产生的PWM信号控制驱动电路中开关管的导通、关断顺序与时间比例,从而实现对电机转速的调节。如今大部分通用型单片机都集成了PWM模块,并可通过简单的寄存器配置调取相关库函数轻松实现PWM输出功能。PWM控制技术不仅可应用在电机驱动中,也常常应用在DC/DC和DC/AC转换器中,以下对PWM的背景和原理进行简单介绍。

从物理角度定义PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术,即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,等效地获得所需要的波形(含形状和幅值)。它的控制思想源于通信技术,而全控型器件的发展促进了PWM控制技术的广泛应用,并使两者紧密结合。面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础,它是指冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。这里的“冲量”是指窄脉冲的面积,“效果基本相同”是指环节的输出响应波形基本相同。

常见的形状不同而冲量相同的窄脉宽有矩形脉冲、三角脉冲、正弦半波脉冲和单位脉冲函数等。由于单片机产生方波信号更加方便,因此后续提到的PWM信号均为方波信号(也可叫作矩形脉冲),其主要指标参数包括两个:PWM信号的频率f与占空比d。其中,PWM的频率是指每秒钟产生的周期方波信号的循环次数,f过低时,削弱了上述“窄脉冲”这个要求,从而影响控制效果。具体来讲,此时电机的输出波动将增加,甚至可观察到电机转动的断续情况。f过高,可能会超越开关电路的承受范围,超出电机的响应,从而导致控制失败。此外,f增高时,开关电路的开关损耗也将增加。可见,需要综合考虑上述多个因素以及直流电机的实际惯性来确定电机驱动的PWM控制频率。在智能汽车竞赛中,通常将PWM频率控制在10～20 kHz,这也与控制器的性能有关。在单片机计算能力充足的情况下,推荐将PWM控制频率定在16 kHz左右,这也是一个开关电路和电机都能保持良好工作状态的控制频率。

接下来介绍PWM占空比的概念,它是指一个控制周期内,有效控制电平占整个控制周期之比。有效控制电平通常为高电平,即在高电平时,电机得到电池的能量供应,而在低电平时能量供应中断。值得指出的是,一些驱动电路所采用的驱动芯片会将PWM产生的信号取反,即低电平时控制相关开关管导通,使有效控制电平更加准确。PWM占空比的表达公式为式(4.7)。(www.xing528.com)

式中,ton和toff分别为开关管导通、截止时间;T为PWM控制周期,与PWM控制频率呈倒数关系。

于此,PWM控制直流电机转速的原理便显得更容易理解,通过使用不同占空比的PWM控制,施加在电机两端的电压可以视为电池电压E与占空比d的乘积,改变占空比就可以调制出不同的端电压,而端电压又与电机转速呈一定关系,从而得到不同的电机转速。例如,当d=0时,电机端电压为0,电机停转;当d=0.5时,电机端电压有效值等效为电池电压的一半,电机以中等速度运行;当d=1时,电机端电压等于电池电压,电机全速运行。