脉冲宽度调制（PWM）与电机转速控制

有许多不同的方法来控制直流电机的速度，但一种非常简单且容易的方法是使用脉冲宽度调制（PWM）。

1、概述

但在我们开始了解“脉冲宽度调制”的细节之前，我们需要更多地了解直流电机的工作原理。

除了步进电机之外，永磁直流电机 (PMDC) 是最常用的小型直流电机类型，可产生易于控制的连续转速。 小型直流电机非常适合需要速度控制的应用，例如小型玩具、模型、机器人和其他此类电子电路。

直流电机基本上由两部分组成，电机的静止主体（称为“定子”）和旋转产生运动的内部部分（称为“转子”）。 对于直流电机，转子通常称为“电枢”。

通常，在小型轻型直流电机中，定子由一对固定的永磁体组成，在电机内部产生均匀且固定的磁通量，因此这些类型的电机被称为“永磁直流”(PMDC) 电机。

电机电枢由单独的电气线圈组成，这些线圈在其金属主体周围以圆形配置连接在一起，产生北极、南极、北极等磁场系统配置类型。

这些转子线圈内流动的电流产生必要的电磁场。 电枢绕组产生的圆形磁场在电枢周围产生北极和南极，这些北极和南极被定子永磁体排斥或吸引，从而产生绕电机中心轴的旋转运动，如图所示：

2极永磁电机

当电枢旋转时，电流通过位于换向器周围的碳刷从电机端子传递到下一组电枢绕组，产生另一个磁场，每次电枢旋转时，都会给一组新的电枢绕组通电，迫使电枢旋转更多 等等。

因此，直流电机的转速取决于两个磁场之间的相互作用，一个磁场由定子的固定永磁体建立，另一个磁场由电枢旋转电磁体建立，通过控制这种相互作用，我们可以控制旋转速度。

定子永磁体产生的磁场是固定的，因此不能改变，但如果我们通过控制流经绕组的电流来改变电枢电磁场的强度，就会产生或多或少的磁通量，从而导致更强或更弱的磁通量。 相互作用，因此速度更快或更慢。

那么直流电机的转速 ($N$) 与电机的反电动势 ($V_b$) 除以磁通量（对于永磁体来说是一个常数）乘以机电常数（取决于电枢绕组的性质）成正比 ($K_e$) 给出方程：$N\infty V/K_e\varphi$。

2、电机转速控制

那么我们如何控制流经电机的电流呢？ 许多人尝试使用与电机串联的大型可变电阻器（变阻器）来控制直流电机的速度，如图所示。

虽然这可能有效，就像 Scalextric 老虎机赛车一样，但它会在电阻中产生大量热量并浪费电力。 控制电机速度的一种简单方法是调节其端子上的电压量，这可以使用“脉冲宽度调制”或 PWM 来实现。

顾名思义，脉宽调制速度控制的工作原理是通过一系列“开-关”脉冲驱动电机并改变占空比，即输出电压“开”与“关”时的时间比例 ”，同时保持频率恒定的脉冲。

施加到电机的功率可以通过改变这些施加的脉冲的宽度来控制，从而改变施加到电机端子的平均直流电压。 通过改变或调制这些脉冲的时序，可以控制电机的速度，即，脉冲“ON”越长，电机旋转得越快，同样，脉冲“ON”越短，电机旋转速度越慢 会旋转。

换句话说，脉冲宽度越宽，施加到电机端子的平均电压越大，电枢绕组内的磁通量越强，电机旋转得越快，如下所示：

脉宽调制波形

使用脉宽调制来控制小型电机的优点在于，开关晶体管的功率损耗很小，因为晶体管要么完全“导通”，要么完全“截止”。 因此，开关晶体管的功耗大大降低，使其成为线性控制，从而实现更好的速度稳定性。

3、PWM产生

此外，电机电压的幅度保持恒定，因此电机始终处于满功率状态。 结果是电机可以更慢地旋转而不会停转。 那么我们怎样才能产生脉宽调制信号来控制电机呢？ 很简单，使用如下所示的 Astable 555 振荡器电路。

这个简单的电路基于熟悉的 NE555 或 7555 定时器芯片，用于以固定频率输出产生所需的脉宽调制信号。 正如我们在 555 定时器教程中看到的那样，定时电容器 $C$ 通过流经定时网络 $R_A$ 和 $R_B$ 的电流进行充电和放电。

555 引脚 3 处的输出信号等于将晶体管完全“导通”的电源电压。 $C$ 充电或放电所需的时间取决于 $R_A$、$R_B$ 的值。

电容器通过网络$R_A$充电，但在电阻网络 $R_B$周围并通过二极管 $D1$ 转移。 一旦电容器充电，它立即通过二极管 $D2$和网络 $R_B$ 放电到引脚 7。在放电过程中，引脚 3 的输出为 0V，晶体管切换为“OFF”。

那么电容器 C 经历一个完整的充放电周期所需的时间取决于 $R_A$、$R_B$ 和 $C$ 的值，其中一个完整周期的时间 $T$ 为：

输出为“ON”的时间 $T_H$ 为： $T_H=0.693(R_A).C$

输出为“OFF”的时间 TL 为： $T_L=0.693(R_B).C$

总“ON”-“OFF”周期时间如下：$T=T_H+T_L$，输出频率为 $f=1/T$

根据所示的元件值，可以使用 6.0V 电源将波形的占空比从约 8.3% (0.5V) 调整到约 91.7% (5.5V)。 非稳态频率恒定在 256 Hz 左右，电机以此速率“开启”和“关闭”。

电阻R1加上电位器的“顶部”部分，$V_{R_1}$代表$R_A$的电阻网络。 而电位器的“底部”部分加上$R_2$就代表了上面RB的电阻网络。

这些值可以更改以适应不同的应用和直流电机，但只要 555 Astable 电路以最低几百赫兹的速度足够快地运行，电机的旋转就不应该出现急动。

二极管 D3 是我们最喜欢的续流二极管，用于保护电子电路免受电机感性负载的影响。 此外，如果电机负载较高，请在开关晶体管或 MOSFET 上放置散热器。

脉宽调制是一种控制输送到负载的功率量且不会浪费任何功率的好方法。 上述电路还可用于控制风扇的速度或调暗直流灯或 LED 的亮度。 如果你需要控制它，那么使用脉冲宽度调制来做到这一点。