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淺談PWM控制電機(jī)

張飛實戰(zhàn)電子官方 ? 2025-03-27 19:33 ? 次閱讀

先簡單說說這幾種模式
(1)雙極模式,即電樞電壓極性是正負(fù)交替的,
優(yōu)點:能正反轉(zhuǎn)運行,啟動快,調(diào)速精度高,動態(tài)性能好,調(diào)速靜差小,調(diào)速范圍大,能加速,減速,剎車,倒轉(zhuǎn),能在負(fù)載超過設(shè)定速度時,提供反向力矩,能克服電機(jī)軸承的靜態(tài)摩擦力,產(chǎn)生非常低的轉(zhuǎn)速。
缺點:控制電路復(fù)雜。
(2)單極模式,即電機(jī)電樞驅(qū)動電壓極性是單一的
優(yōu)點:啟動快,能加速,剎車,能耗制動,能量反饋,調(diào)速性能不如雙極模式好,但是相差不多,電機(jī)特性也比較好。如果接成H橋模式,也能實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。
在負(fù)載超速時也能提供反向力矩。
缺點:剎車時,不能減速到0,速度接近0速度時沒有制動力。不能突然倒轉(zhuǎn)。動態(tài)性能不好,調(diào)速靜差稍大。
(3)受限單極模式,即除了單極調(diào)制外,能耗制動通路受到了限制。
優(yōu)點:控制電路簡單,如果接成H橋模式,也能正反轉(zhuǎn)。
缺點:不能剎車,不能能耗制動,在負(fù)載超過設(shè)定速度時不能提供反向力矩。

調(diào)速靜差大,調(diào)速性能很差,穩(wěn)定性也不好。

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首先,這里的PWM和PWM 都是已經(jīng)經(jīng)過處理后,能直接驅(qū)動功率管的信號,而不是單片機(jī)輸出的PWM信號,至于MOS管的驅(qū)動方法,這里不討論。
___
PWM 信號是和PWM信號互補的,邏輯上互補,而不是電平的互補。
還有默認(rèn)這兩個信號已經(jīng)經(jīng)過了死區(qū)控制,不回產(chǎn)生同時導(dǎo)通的問題。
除了第一個圖外,功率管上必須并聯(lián)續(xù)流二極管,要么是MOS管里自帶的,要么就是BJT再并聯(lián)的,或者M(jìn)OS管并聯(lián)肖特基

其實我們大家平時控制電機(jī)用的都是如圖1所示的那種樣子,
這種模式叫受限單極調(diào)制,只有加速和調(diào)速功能,是沒有剎車功能的,電機(jī)速度下降靠負(fù)載摩擦,也沒有負(fù)力矩。
比如說,設(shè)定速度是50%,但是電機(jī)因為外力速度達(dá)到了60%了,電機(jī)也不會減速,只有電機(jī)速度超過100%時,電機(jī)產(chǎn)生的反電動勢超過了電源電壓,才會產(chǎn)生反向力矩,那個另當(dāng)別論。
像以前的有刷電動自行車采用的就是這種控制方法,只能加速,不能減速,速度控制也不精確,但是足夠滿足要求了。

其次,我們想要電機(jī)實現(xiàn)正反轉(zhuǎn),也只不過是用到了圖2和圖4的樣子,
這個雖然是接成了H橋的樣子,但是實際上還是受限單極調(diào)制,把圖2的Q4拿掉,Q1變成一個二極管,電路就又變成了圖1的樣子。其他的圖都同理。

單極調(diào)制和雙極調(diào)制

如果想得到有剎車的功能,
就必須使用一個與PWM信號互補的PWM信號。
這個信號在PWM關(guān)斷期間,為電機(jī)提供一個續(xù)流通道,
相當(dāng)于開關(guān)電源的同步續(xù)流吧,也有稱之為同步整流
按道理,那個二極管也能提供續(xù)流通道如圖6中的Q1,
但是用MOS管作為續(xù)流通道有2個好處,
第一,導(dǎo)通壓降低,比二極管發(fā)熱更少,效率更高,
第二,二極管上不能產(chǎn)生反向電流,而MOS管可以通過反向電流
其實二極管的反向電流對于MOS管來講是正向電流,
電機(jī)反電動勢在PWM關(guān)斷時間的伏秒數(shù) 大于 電源電壓在PWM開通時間加在電機(jī)上的伏秒數(shù),小于,那么電機(jī)會產(chǎn)生反向電流,使電機(jī)產(chǎn)生反向力矩,
因為直流永磁電機(jī)的力矩是正比例于電流的,反向電流就會產(chǎn)生反向力矩。視這個電流的大小,電機(jī)就能減速或者剎車了。而且電機(jī)上的這個反向電流還會在PWM開通時間回饋到電源中去,做到了能量回饋。如果電源是二次電池,那么這是有好處的,如果不是電池的話,會使母線電壓升高,要做一些能量消耗的措施。
說白了,就是你的PWM占空比就能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,電機(jī)的轉(zhuǎn)速會跟隨的你PWM占空比變化,你的占空比加大,電機(jī)就會加速,你的占空比減小,電機(jī)就會減速,你減得快,就相當(dāng)于剎車,如果控制得好,可以做到很迅速但是又很柔和的剎車效果。
但是如果你的占空比突然減到0,就相當(dāng)于把電機(jī)短路了,這是急剎車,會不會損壞要看電機(jī)的內(nèi)阻,功率,慣性,還要看功率管的過載能力。當(dāng)然還考驗電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度,因為這種剎車從表面上看,就好像直接用硬物把電機(jī)卡住的效果差不多,發(fā)出的聲響也是十分巨大的金屬聲。
當(dāng)然,還有更急的剎車辦法,就是把電機(jī)切換到反向運行狀態(tài),但是這種方法是有很大的隱患的,往往會造成器件損壞。
不過話又說回來了,那種受限單極PWM調(diào)制方法,只能使用這1種剎車或減速模式,既沒有好的效果,又容易損傷器件。
所以如果需要電機(jī)帶剎車的話,盡量使用單極調(diào)制或雙極調(diào)制,不要使用受限單極調(diào)制模式。
一般電動輪椅的電機(jī)都是采用這種模式控制的。

再說說雙極模式,
雙極模式,只有H橋一種接法,而且4只管子同時工作。如圖11
斜對角的兩個管子通相同相位的信號,如Q1和Q4,而另外兩只管子用與之互補的信號驅(qū)動。在PWM導(dǎo)通器件,電機(jī)兩端的驅(qū)動電壓是正的,在PWM關(guān)斷器件,電機(jī)兩端驅(qū)動電壓是負(fù)的。
當(dāng)PWM占空比為50%時,電機(jī)保持靜止?fàn)顟B(tài),當(dāng)PWM占空比大于50%時,電機(jī)正轉(zhuǎn),當(dāng)PWM占空比小于50%時,電機(jī)反轉(zhuǎn)。
其實當(dāng)占空比為50%時,電機(jī)并不是靜止的,而是在原地抖動,因為電機(jī)上的電流也是一個交流的,這個抖動能有效克服電機(jī)的靜摩擦,使電機(jī)能快速啟動,迅速反應(yīng),適用與需要動態(tài)性能好的場合,比如說,光驅(qū)里面控制光頭前后移動的電機(jī),直流伺服電機(jī),還有就是現(xiàn)在匠人正做的那個二輪小車驅(qū)動車輪的電機(jī)也適合用這個方法來驅(qū)動。
當(dāng)然了,單極和雙極調(diào)制也可以把4只管子都關(guān)斷,使電機(jī)自由減速,而不是靠方向力矩來進(jìn)行減速。


-- END --

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