实验18：PWM直流电机调速

实验目的

（1）理解PWM的含义及产生方法。

（2）了解单片机脉冲宽度调制C语言程序的设计和调试方法。

（3）掌握PWM的生成方法及使用。

实验仪器

单片机开发板、稳压电源、计算机。

实验原理

直流电机的PWM调速原理与交流电机的调速原理不同，它不是通过调频方式去调节电机的转速，而是通过调节驱动电压脉冲宽度的方式，并与电路中一些相应的储能元件配合，改变输送到电枢电压的幅值，从而达到改变直流电机转速的目的。它的调制方式是调幅。

脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

1.脉冲宽度调制

脉冲宽度调制（PWM）是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。模拟控制电路有以下缺陷：模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。

2.直流无刷电机

直流无刷电机由电机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。直流电源通过开关线路向电机定子绕组供电，电机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制电机的转动。在应用实例中，磁极旋转、电枢静止、电枢绕组里的电流换向都要借助于位置传感器和电子开关电路来实现。电机的电枢绕组作成三相，转子由永磁材料制成，与转子轴相连的位置传感器采用霍尔传感器。360°范围内，两两相差120°安装，共安装三个。为了提高电机的特性，电机采用二相导通星形三相六状态的工作方式。开关电路采用三相桥式接线方式。

3.PWM应用详解

PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即直流供电被加到负载上的时候，断的时候即供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

实验图18-1显示了三种不同的PWM信号。图（a）是一个占空比为10%的PWM输出，即在信号周期中，10%的时间通，90%的时间断。图（b）和图（c）显示的分别是占空比为50%和90%的PWM输出。这三种PWM输出编码分别是强度为满度值的10%、50%和90%的三种不同模拟信号值。例如，假设供电电源为9V，占空比为10%，则对应的是一个幅度为0.9V的模拟信号。

实验图18-1　PWM信号图

4.特点

PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无须进行数模转换，让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

5.PWM控制直流电机(www.xing528.com)

直流调速器就是调节直流电机速度的设备，上端和交流电源连接，下端和直流电机连接，直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源，一路输入给直流电机励磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电机转速。同时直流电机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此再次调节电机的转速。

直流电机的调速方案一般有下列3种方式：

（1）改变电枢电压；

（2）改变励激磁绕组电压；

（3）改变电枢回路电阻。

使用单片机来控制直流电机的转速，一般采用调节电枢电压的方式，通过单片机控制PWM1、PWM2，产生可变的脉冲，这样电机上的电压也为宽度可变的脉冲电压。根据公式

U=a VCC

其中：U为电枢电压；a为脉冲的占空比（0＜a＜1）；Vcc直流电压源，这里为5 V。

电动机的电枢电压受单片机输出脉冲控制，实现了利用脉冲宽度调制（PWM）技术进行直流电机的变速。

因为在H桥电路中，只有PWM1与PWM2电平互为相反时电机才能被驱动，也就是PWM1与PWM2同为高电平或同为低电平时，电机都不能工作。

我们把PWM波的周期定为1 ms，占空比分100级可调（每级的级差为10%），这样定时器T0每0.01 ms产生一次定时中断，每100次后进入下一个PWM波的周期。

实验源程序

实验仿真电路（实验图18-2）

实验图18-2　PWM直流电机调速实验仿真图

思考题

1.PWM生成除了利用定时计数器完成外还有其他什么方法？

2.直流电机的驱动模块有哪些？