摘  要： 直流電機(jī)PWM調(diào)速實(shí)質(zhì)是利用電力半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)特性控制直流電源的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間來(lái)改變電機(jī)兩端電壓的大小,，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。但電機(jī)兩端電壓的變化不僅會(huì)改變轉(zhuǎn)速,，而且也會(huì)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩,、機(jī)械特性造成影響。為了研究電機(jī)PWM調(diào)速對(duì)電機(jī)運(yùn)行特性的影響,，搭建了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn),，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，得出PWM波影響直流電機(jī)運(yùn)行特性的規(guī)律,。

　　關(guān)鍵詞： PWM調(diào)速,；直流電機(jī),；運(yùn)行特性、

0 引言

　　PWM即脈沖寬度調(diào)制,，PWM調(diào)速就是在固定的頻率下,，通過(guò)控制電力半導(dǎo)體器件在一周期內(nèi)的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間，調(diào)整直流電機(jī)兩端的電壓大小,，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速[1],。PWM調(diào)速具有控制方便、調(diào)速平滑,、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),，因此在直流電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中被廣泛采用[2-3]。PWM調(diào)速主要靠電壓的調(diào)整,，而電壓的變化對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,、機(jī)械特性也會(huì)造成影響。為研究這種影響的變化規(guī)律,，設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn),，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波的占空比和頻率來(lái)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算,，得到PWM調(diào)速對(duì)電機(jī)運(yùn)行特性的影響,。

1 直流電機(jī)運(yùn)行特性

　　直流電機(jī)的運(yùn)行特性主要包括轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性,、機(jī)械特性（轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性）及效率特性,。本文主要討論前三種特性。

　　1.1 轉(zhuǎn)速特性

　　轉(zhuǎn)速特性是指在額定電壓和額定電流的情況下,，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電樞電流Ia之間的關(guān)系,。

　　式中，Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù),；為每一磁極總磁通量,；U為電樞端電壓；Ia為電樞電流,；Ra為電樞電路總電阻,。

　　1.2 轉(zhuǎn)矩特性

　　轉(zhuǎn)矩特性是指在額定電壓和額定電流下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩Te與電樞電流Ia之間的關(guān)系,。

　　式中,，為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

　　1.3 機(jī)械特性

　　機(jī)械特性作為電機(jī)一個(gè)重要的特性,，是指電機(jī)在額定電壓和額定電流情況下,，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。

　　式中,，為理想空載轉(zhuǎn)速,，為機(jī)械特性斜率,。

2 PWM調(diào)速電路設(shè)計(jì)方案

　　根據(jù)直流電機(jī)的運(yùn)行特性公式（1）~（3）可知，直流電機(jī)的運(yùn)行特性與U和Ia均有關(guān),。為準(zhǔn)確分析PWM波對(duì)運(yùn)行特性的影響,，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路需采集電機(jī)的電流值和電機(jī)兩端的電壓值?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示[4],。

　　2.1 驅(qū)動(dòng)電路

　　驅(qū)動(dòng)電路由IR2110驅(qū)動(dòng)芯片和場(chǎng)效應(yīng)管搭建的H橋電路組成。IR2110是高電壓,、高功率MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)芯片,，具有獨(dú)立的高端和低端輸出通道，其高壓側(cè)可承受500 V~600 V的電壓[5],。圖2為H橋驅(qū)動(dòng)電路,，MOSFET選用IRF540，自舉電容為0.47 ,，自舉二極管為1N5819,。電機(jī)的控制信號(hào)為PWM1、PWM2,，分別接STM32的PB12,、PB13。其中PWM1為正轉(zhuǎn)控制信號(hào),，PWM2為反轉(zhuǎn)控制信號(hào),。PWM1和PWM2同時(shí)輸入時(shí)為能耗制動(dòng)。

　　2.2 電流,、電壓檢測(cè)電路

　　驅(qū)動(dòng)電路電流檢測(cè)選用線性電流傳感器ACS712,，該器件輸出電壓與檢測(cè)的電流有很好的線性[6]，將該芯片串接在H橋與電源之間,，如圖2所示,。系統(tǒng)中ACS712輸出與STM32的PA0相連。電壓檢測(cè)選用電阻分壓的方式,，將電機(jī)兩端電壓接10 和1電阻接地,，用STM32的PA1端口采集兩電阻之間的電壓。

　　2.3 STM32及上位機(jī)

　　STM32用于輸出PWM波以及電機(jī)的電流,、電壓采集與轉(zhuǎn)換,，并將數(shù)據(jù)通過(guò)串口輸出。測(cè)試中上位機(jī)為PC,，選用串口調(diào)試助手作為上位機(jī)軟件。

3 數(shù)據(jù)采集

　　PWM波主要參數(shù)為占空比和頻率,，為確保結(jié)果準(zhǔn)確可靠,，分別進(jìn)行恒定頻率不同占空比和恒定占空比不同頻率實(shí)驗(yàn),。實(shí)驗(yàn)選用正科ZYTD-60SRZ的24 V/36 W永磁式電機(jī)，其空載轉(zhuǎn)速2 000 r/min,，空載電流為0.23 A,。

　　3.1 恒定頻率不同占空比

　　實(shí)驗(yàn)中PWM輸出的頻率不變，占空比逐漸增加,，從上位機(jī)得到電機(jī)的電流值和電壓值,。為排除誤差引入的干擾，得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),，選擇3個(gè)不同頻率進(jìn)行實(shí)驗(yàn),。圖3為不同頻率下電機(jī)兩端的電壓變化曲線，表1為不同頻率下電機(jī)的電流值,。

　　由實(shí)驗(yàn)可知,，在頻率恒定，占空比達(dá)到一定值時(shí),，電機(jī)兩端電流才會(huì)受到占空比的影響,。且電機(jī)兩端的電壓與占空比呈線性關(guān)系變化。電機(jī)電流隨占空比增加而增大,，低占空比時(shí)增加緩慢,，占空比達(dá)到一定值后電流快速增加，之后趨于穩(wěn)定,。

　　3.2 恒定占空比不同頻率

　　為使數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,，選擇占空比分別為10%、30%,、50%,、70%、90%,、99%進(jìn)行實(shí)驗(yàn),。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，占空比不變,，頻率由低到高逐漸增加,，得到電機(jī)的電流值和電壓值，繪制圖表如下,。圖4為恒定占空比下電機(jī)兩端的電壓變化曲線,，表2為恒定占空比下電機(jī)的電流值。

　　由上述實(shí)驗(yàn)可知,，在低占空比的情況下,，頻率對(duì)電機(jī)兩端電壓影響較大，而高占空比時(shí)，影響則小得多,。但是低頻時(shí),，電機(jī)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，且噪聲較大,；高頻時(shí)則運(yùn)行平穩(wěn),，且噪聲小。該實(shí)驗(yàn)中,，電機(jī)在1 kHz時(shí)運(yùn)行平穩(wěn),，噪聲小。電機(jī)的電流與電壓的變化規(guī)律幾乎一致,，且在同一頻率下的電流變化正好印證了恒定頻率不同占空比的實(shí)驗(yàn),。

4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

　　為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，便于對(duì)電機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行分析,。選用強(qiáng)磁24 V直流電機(jī)驗(yàn)證,。其結(jié)果如表3、表4,。

　　由表3,、表4的數(shù)據(jù)可得到與上述實(shí)驗(yàn)相同的結(jié)果，因此,，可得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

　?。?）占空比達(dá)到一定值，電機(jī)兩端電壓才會(huì)增加,，且與占空比近似線性,；

　　（2）電流在低占空比時(shí)電流較小,，達(dá)到一定值時(shí)電流迅速增大,，接近額定電流時(shí)，趨于穩(wěn)定,；

　?。?）電機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，會(huì)有抖動(dòng)且噪聲大,，高頻時(shí)運(yùn)行平穩(wěn),、噪聲小,；

　?。?）頻率對(duì)電機(jī)兩端電壓的影響與占空比有關(guān)，占空比高則影響小,，占空比低則影響大,；

　?。?）電機(jī)的電流變化與電壓的變化趨勢(shì)大體一致。

5 運(yùn)行特性分析

　　由實(shí)驗(yàn)可知,，用PWM波控制電機(jī)時(shí),，占空比為影響電壓、電流的主要因素,，因此需要討論占空比對(duì)運(yùn)行特性的影響。該24 V/36 W直流電機(jī)的額定空載轉(zhuǎn)速n′0= 2 000 r/min,，可得：

　　由可得：

　　在對(duì)電機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行分析時(shí),，可認(rèn)為恒定不變，則也為定值,。

　　將數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算得到該直流電機(jī)運(yùn)行特性隨占空比的變化曲線,，如圖5~7所示。

　?。?）轉(zhuǎn)速特性

　　根據(jù)轉(zhuǎn)速公式（1）,，在低占空比時(shí)，由于電壓和電流變化較小,，電機(jī)轉(zhuǎn)速很小,，當(dāng)占空比超過(guò)一定值時(shí)，電壓和電流均升高,，在這一階段轉(zhuǎn)速開(kāi)始上升,，在占空比較高時(shí)，電機(jī)的電流和電壓接近額定值,，這時(shí)轉(zhuǎn)速緩慢上升,，直到達(dá)到最大值。

　?。?）轉(zhuǎn)矩特性

　　根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式（2）,，轉(zhuǎn)矩主要由電機(jī)電流決定，因此轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)與電機(jī)電流相似,，在低占空比時(shí),，轉(zhuǎn)矩很小，隨著占空比增加轉(zhuǎn)矩也增加,，在高占空比時(shí),，轉(zhuǎn)矩逐漸趨于穩(wěn)定。

　?。?）機(jī)械特性

　　由公式（3）可知,，電機(jī)的機(jī)械特性與轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩有關(guān)，計(jì)算時(shí)設(shè)空載轉(zhuǎn)速為定值,，因此機(jī)械特性主要決定因素為轉(zhuǎn)矩,。在低占空比時(shí)，轉(zhuǎn)矩很小，機(jī)械特性最好,，隨著占空比增加轉(zhuǎn)矩增加,，機(jī)械特性逐步減小，在高占空比時(shí),，轉(zhuǎn)矩逐漸趨于穩(wěn)定,，機(jī)械特性也趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)論

　　通過(guò)搭建直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,，分析PWM波的占空比,、頻率對(duì)直流電機(jī)兩端電壓和電流的影響，得出相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析得到一般性結(jié)論,，然后驗(yàn)證結(jié)論的正確性,。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論和直流電機(jī)運(yùn)行特性的相關(guān)計(jì)算公式，分析電壓,、電流的變化對(duì)運(yùn)行特性的影響,，從而得到脈寬調(diào)制對(duì)直流電機(jī)運(yùn)行特性的影響。

　?。?）PWM波的占空比對(duì)運(yùn)行特性的影響：電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩變化趨勢(shì)相似,，在低占空比時(shí)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩很小,，當(dāng)占空比超過(guò)一定值時(shí),，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩增加，在高占空比時(shí),，轉(zhuǎn)矩逐漸趨于穩(wěn)定,；而機(jī)械特性在低占空比時(shí)最好，隨著占空比增加機(jī)械特性逐步降低,。

　?。?）PWM波的頻率對(duì)運(yùn)行特性的影響：隨著頻率增加電機(jī)運(yùn)行的抖動(dòng)和噪聲減小，但綜合硬件設(shè)計(jì),，使用PWM控制電機(jī)時(shí),，應(yīng)選取合適的頻率。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 何存富,，周龍,，宋國(guó)榮，等.基于DSP的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù),，2007（1）：64-67.

　　[2] 解恩,，王璞.一種新穎的直流電機(jī)PWM調(diào)制方式[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2012（11）：29-32.

　　[3] 焦玉朋.基于51單片機(jī)的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué),，2013.

　　[4] 楊學(xué)存,，楊戰(zhàn)社,，孔令紅.基于ARM的嵌入式直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2012（4）：255-257.

　　[5] 伍洲,，方彥軍.IR2110在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,，2008（11）：88-90.

　　[6] 董建懷.電流傳感器ACS712的原理與應(yīng)用[J].中國(guó)科技信息，2010（5）：92-93,，96.