PWM調速系統實現原理分析

馬玉敏

【摘要】PWM調速系統是利用微處理器數字輸出來對模擬電路進行控制的調速技術，這種調速方式能使電機工作條件發生變化時電源輸出電壓依然相對恒定，且調速帶寬極大響應速度快，平滑調速能力強，成為電機自動調速系統的主流形式。本文就PWM調速系統實現原理進行了分析，對深入應用PWM調速系統有一定指導意義。

【關鍵詞】PWM；直流調速；平滑調速；實現原理

1.引言

在現代工農業生產、軍事應用、生活應用中，對電力拖動的自動化要求越來越高，需要大量控制元件組成電機自動控制系統，對電機工況進行自動智能調節。在早期，主要采用晶閘管進行電子驅動，后來發展出雙向可控硅進行相位控制驅動，一直到上世紀80年代電機控制系統都由半控型功率器件主宰。在上世紀70年代中期，直流電機脈沖寬度調制（PWM）調速系統開始出現，初期主要應用于不可逆、小功率驅動之中，被應用于軍事及空間技術等領域。近年來，隨著微電子技術和晶體管制作技術的提升，PWM調速技術得到了高速發展，其應用領域迅速擴展至民用工業領域，其算法更為先進，調速可靠性和安全性也得到了極大的提升。

2.PWM調速系統工作原理

2.1 直流電機工作原理

直流電機是一種應用廣泛的電能轉換器，多數直流電機都利用電磁形成方向不變的轉矩以進行連續旋轉運動，其硬件結構包括定子、主磁極、電刷、轉子、換向器幾個部分。電流首先由電刷A流入，再經線圈，最后從電刷B流出，此時載流導體受到電磁力作用形成轉矩使得轉子轉動。換向器則配合電刷對電流進行換向，以使每個磁極下的線圈中電流始終向一個方向，最終電機連續旋轉。

2.2 直流電機調速原理

根據直流電機工作原理，直流電機的調速可以通過調節供電電壓、改變電機主磁通、改變電樞回路電阻三種方法來實現。調節供電電壓主要是在額定電壓范圍內降低電樞電壓，使電機的額定轉速下降，這種方法是恒轉矩調速，這種方法需要大容量可調直流電源方可實現。改變電機主磁通的方法是一種通過減弱磁通進行調速的方法，這種方法為弱磁恒功率調速，能使電機在額定轉速范圍內上調，所需直流電源容量較小但響應速度較慢。改變電樞回路電阻則是在電機電樞回路上串連電阻，從而實現直流電機調速，這種調速方法實現容易但在調速電阻會消耗大量電能。目前在直流電機自動調速系統上，多采用調壓調速的方式，或者與改變電機主磁通的方法配合使用。

2.3 PWM調速系統工作原理

目前應用較為廣泛的直流調速系統有V-M系統，這種調速系統能實現平滑調速，但受其所采用的晶閘管單向導電性的影響，這種調速方式不允許電流反向因而在電機可逆運行方面適用能力不足，且會產生較大的諧波電流，對電網質量造成沖擊。PWM調速系統則是通過改變晶閘管導通時間，從而改變脈沖寬度來進行直流調速的方法，這種調速方法晶閘管并不受相位控制，而是受開關狀態影響，在高開關頻率下利用電樞電感濾波作用來獲得脈動極小的直流電流，從而有效提高調速范圍，降低電機損耗與發熱。采用PWM調速系統，除了可以利用PWM變換器來實現外，還可以利用單片機控制繼電器開合來實現，其智能水平和自動化能力更高。

3.PWM調速系統硬件實現

3.1 基本分析

在本文中，僅對PWM調速系統中的開環調速方式的硬件實現進行研究，開環調速系統僅改變驅動電路控制電壓，從而改變功率變換電路輸出平均電壓，實現對電機轉速的調節。這種調速系統控制電壓同輸出轉速之間處于順向作用關系，控制單方向進行，電機轉速不對控制電壓產生影響，控制電壓由給定電壓確定。在實踐應用中，采用三級管構成H型PWM調速電路，根據占空比來利用單片機來控制三極管開關狀態從而對直流電機轉速進行精確調節。采用H型電路，能極好的實現轉速與轉向上的控制，調速響應快、穩定性好且調速范圍廣，具有極高的實用價值。

3.2 硬件電路實現

在PWM智能調速系統的實現中，其硬件電路主要包括時鐘電路、復位電路、輸入電路、單片機、驅動電路五大部分。其中驅動電路為可控開關元件，利用H橋電路構建功率放大電路結構。以單片機AT89C51為例，其核心即是利用單片機AT89C51的定時器來產生PWM脈沖波形，根據采集的轉速和需要的轉速進行比對，以比對的結果來利用調節PWM脈沖波形寬度，從而控制H橋電路中的可控開關元件通斷時間，實現電機轉速的調制。

時鐘電路負責為整個系統的運行提供基準時鐘控制信號，包括晶振和電容，晶振頻率越高則整個系統的時鐘頻率越高，AT89C51單片機則具有更高的處理速度。復位電路承擔單片機初始化操作，包括系統正常初始化和程序故障初始化，可設置按鍵手動復位操作。輸入電路承擔相應的輸入功能，包括按鍵輸入功能和電機轉速采集數據輸入，根據輸入需要輸入電路的設計會有一定差異，但主要分為鍵盤輸入電路和電機轉速輸入電路兩個部分，分別承擔相應信號輸入任務。

4.PWM調速系統軟件實現

4.1 基本分析

PWM調速方式中，有雙極性和單極性兩種。雙極性調速方式在一個脈沖周期內，單片機兩個控制分別輸出高低電平相反的控制信號，利用高電平時差來控制電機轉向與轉速；單極性調速方式單片機一個控制口置于低電平狀態，另一控制口發送PWM信號，利用兩個控制口的輸出切換來控制電機轉向，利用PWM信號占空比控制電機轉速。相對來說，單極性調速方式更為穩定可靠。在軟件實現上，一種可以采用定時器來進行脈寬控制，另一種則可以采用軟件延時來進行脈寬控制，不過采用定時器進行脈寬控制更為精確。在本文中，對采用定時器進行脈寬控制的單極性PWM調速方式的軟件實現原理進行分相反。

4.2 軟件運作機理

在整個PWM調速系統的軟件系統中，包括鍵盤輸入程序、中斷處理程序、脈寬控制程序、鍵盤中斷處理程序、顯示處理程序等。在鍵盤輸入相應指令時，單片機根據指令利用控制口輸出相應的PWM脈沖，使H橋驅動電路開關狀態根據PWM脈沖發生變化，從而對電機轉速和方向進行控制。所產生的PWM脈沖為周期固定、占空比可調的脈沖系列，該脈沖序列的輸出電平維持時間受定時器控制，占空比由單片機內部PWM輸出寄存器值決定，通過在設置單片機定時器初始值來進行占空比PWM輸出控制。

4.3 PWM脈沖帶寬控制策略

一個PWM脈沖周期，由高電平持續時間系數和低電平持續時間系統構成，占空比為高電平持續時間系數除以高電平持續時間系數和低電平持續時間續數的總和。要對PWM脈沖帶寬進行定頻調寬，僅需改變全局變量，即高電平持續時間系數和低電平持續時間系數即可。當電機啟動和停止運行時，使用漸變脈沖帶寬調整方式，當電機啟動時使脈沖帶寬由勻加速狀態直到默認速度，當電機停止時則脈沖帶寬由當前速度值逐步降至為零。通過漸變脈沖帶寬調整，能使電機速度變化更為平緩。同時，配合相應的速度傳感器和距離傳感器等，對速度和距離進行相應的計算，能有效的提高自動智能調速效率，保證電機工況的穩定性和可靠性。

5.結束語

PWM調速技術是一種簡單、靈活、響應速度好、調速范圍廣的調速控制技術，這種調整技術利用脈沖帶寬對直流電機轉速和方向進行控制，由于采用了高分辨率計算方法，利用占空比來對具體模擬信號進行編碼，在帶寬足夠的情況下可以滿足任何模擬值的編碼需要，能極好的實現電機負載的數字化自動調速控制，可以有效的降低噪聲影響，具有極高的實踐應用價值。

參考文獻

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