0 引言

PWM即脈沖寬度調制，PWM調速就是在固定的頻率下，通過控制電力半導體器件在一周期內的開通與關斷時間，調整直流電機兩端的電壓大小，從而調節電機轉速[1]。PWM調速具有控制方便、調速平滑、響應速度快等優點，因此在直流電機調速領域中被廣泛采用[2-3]。PWM調速主要靠電壓的調整，而電壓的變化對直流電機的轉矩、機械特性也會造成影響。為研究這種影響的變化規律，設計直流電機驅動電路進行實驗，通過調節PWM波的占空比和頻率來進行對比試驗，然后對實驗數據分析計算，得到PWM調速對電機運行特性的影響。

1 直流電機運行特性

直流電機的運行特性主要包括轉速特性、轉矩特性、機械特性（轉速-轉矩特性）及效率特性。本文主要討論前三種特性。

1.1 轉速特性

轉速特性是指在額定電壓和額定電流的情況下，電機的轉速n與電樞電流Ia之間的關系。

式中，Ce為電動勢常數；

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 轉矩特性

轉矩特性是指在額定電壓和額定電流下，電機的轉矩Te與電樞電流Ia之間的關系。

式中，

為轉矩常數。

1.3 機械特性

機械特性作為電機一個重要的特性，是指電機在額定電壓和額定電流情況下，轉速與轉矩之間的關系。

式中，

為理想空載轉速，

為機械特性斜率。

2 PWM調速電路設計方案

根據直流電機的運行特性公式（1）~（3）可知，直流電機的運行特性與U和Ia均有關。為準確分析PWM波對運行特性的影響，直流電機驅動電路需采集電機的電流值和電機兩端的電壓值。總體設計框圖如圖1所示[4]。

2.1 驅動電路

驅動電路由IR2110驅動芯片和場效應管搭建的H橋電路組成。IR2110是高電壓、高功率MOSFET和IGBT驅動芯片，具有獨立的高端和低端輸出通道，其高壓側可承受500 V~600 V的電壓[5]。圖2為H橋驅動電路，MOSFET選用IRF540，自舉電容為0.47

，自舉二極管為1N5819。電機的控制信號為PWM1、PWM2，分別接STM32的PB12、PB13。其中PWM1為正轉控制信號，PWM2為反轉控制信號。PWM1和PWM2同時輸入時為能耗制動。

2.2 電流、電壓檢測電路

驅動電路電流檢測選用線性電流傳感器ACS712，該器件輸出電壓與檢測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。系統中ACS712輸出與STM32的PA0相連。電壓檢測選用電阻分壓的方式，將電機兩端電壓接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

STM32用于輸出PWM波以及電機的電流、電壓采集與轉換，并將數據通過串口輸出。測試中上位機為PC，選用串口調試助手作為上位機軟件。

3 數據采集

PWM波主要參數為占空比和頻率，為確保結果準確可靠，分別進行恒定頻率不同占空比和恒定占空比不同頻率實驗。實驗選用正科ZYTD-60SRZ的24 V/36 W永磁式電機，其空載轉速2 000 r/min，空載電流為0.23 A。

3.1 恒定頻率不同占空比

實驗中PWM輸出的頻率不變，占空比逐漸增加，從上位機得到電機的電流值和電壓值。為排除誤差引入的干擾，得到準確的數據，選擇3個不同頻率進行實驗。圖3為不同頻率下電機兩端的電壓變化曲線，表1為不同頻率下電機的電流值。

由實驗可知，在頻率恒定，占空比達到一定值時，電機兩端電流才會受到占空比的影響。且電機兩端的電壓與占空比呈線性關系變化。電機電流隨占空比增加而增大，低占空比時增加緩慢，占空比達到一定值后電流快速增加，之后趨于穩定。

3.2 恒定占空比不同頻率

為使數據準確可靠，選擇占空比分別為10%、30%、50%、70%、90%、99%進行實驗。實驗過程中，占空比不變，頻率由低到高逐漸增加，得到電機的電流值和電壓值，繪制圖表如下。圖4為恒定占空比下電機兩端的電壓變化曲線，表2為恒定占空比下電機的電流值。

由上述實驗可知，在低占空比的情況下，頻率對電機兩端電壓影響較大，而高占空比時，影響則小得多。但是低頻時，電機運行會產生抖動，且噪聲較大；高頻時則運行平穩，且噪聲小。該實驗中，電機在1 kHz時運行平穩，噪聲小。電機的電流與電壓的變化規律幾乎一致，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驗。

4 驗證實驗

為了驗證實驗結果的正確性，便于對電機運行特性進行分析。選用強磁24 V直流電機驗證。其結果如表3、表4。

由表3、表4的數據可得到與上述實驗相同的結果，因此，可得到實驗結果如下：

（1）占空比達到一定值，電機兩端電壓才會增加，且與占空比近似線性；

（2）電流在低占空比時電流較小，達到一定值時電流迅速增大，接近額定電流時，趨于穩定；

（3）電機在低頻運行時，會有抖動且噪聲大，高頻時運行平穩、噪聲小；

（4）頻率對電機兩端電壓的影響與占空比有關，占空比高則影響小，占空比低則影響大；

（5）電機的電流變化與電壓的變化趨勢大體一致。

5 運行特性分析

由實驗可知，用PWM波控制電機時，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運行特性的影響。該24 V/36 W直流電機的額定空載轉速n′0= 2 000 r/min，可得：

由

可得：

在對電機運行特性進行分析時，可認為

恒定不變，則

也為定值。

將數據進行運算得到該直流電機運行特性隨占空比的變化曲線，如圖5~7所示。

（1）轉速特性

根據轉速公式（1），在低占空比時，由于電壓和電流變化較小，電機轉速很小，當占空比超過一定值時，電壓和電流均升高，在這一階段轉速開始上升，在占空比較高時，電機的電流和電壓接近額定值，這時轉速緩慢上升，直到達到最大值。

（2）轉矩特性

根據轉矩公式（2），轉矩主要由電機電流決定，因此轉矩的變化趨勢與電機電流相似，在低占空比時，轉矩很小，隨著占空比增加轉矩也增加，在高占空比時，轉矩逐漸趨于穩定。

（3）機械特性

由公式（3）可知，電機的機械特性與轉速和轉矩有關，計算時設空載轉速為定值，因此機械特性主要決定因素為轉矩。在低占空比時，轉矩很小，機械特性最好，隨著占空比增加轉矩增加，機械特性逐步減小，在高占空比時，轉矩逐漸趨于穩定，機械特性也趨于穩定。

6 結論

通過搭建直流電機驅動電路，分析PWM波的占空比、頻率對直流電機兩端電壓和電流的影響，得出相關數據并進行分析得到一般性結論，然后驗證結論的正確性。根據實驗結論和直流電機運行特性的相關計算公式，分析電壓、電流的變化對運行特性的影響，從而得到脈寬調制對直流電機運行特性的影響。

（1）PWM波的占空比對運行特性的影響：電機轉速與轉矩變化趨勢相似，在低占空比時，轉速和轉矩很小，當占空比超過一定值時，轉速和轉矩增加，在高占空比時，轉矩逐漸趨于穩定；而機械特性在低占空比時最好，隨著占空比增加機械特性逐步降低。

（2）PWM波的頻率對運行特性的影響：隨著頻率增加電機運行的抖動和噪聲減小，但綜合硬件設計，使用PWM控制電機時，應選取合適的頻率。

參考文獻

[1] 何存富，周龍，宋國榮，等.基于DSP的直流電機驅動控制電路設計[J].測控技術，2007（1）：64-67.

[2] 解恩，王璞.一種新穎的直流電機PWM調制方式[J].電機與控制應用，2012（11）：29-32.

[3] 焦玉朋.基于51單片機的PWM直流電機調速系統[D].呼和浩特：內蒙古大學，2013.

[4] 楊學存，楊戰社，孔令紅.基于ARM的嵌入式直流電機PWM調速系統設計[J].煤礦機械，2012（4）：255-257.

[5] 伍洲，方彥軍.IR2110在電機驅動器設計中的應用[J].儀表技術與傳感器，2008（11）：88-90.

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

編輯：jq