直流电机的PWM冲调速控制技术

直流电机的PWM冲(宽度调变)调速控制技术 为调节马达转速和方向需要对其直流电压的大小和方向进行控制。目前，常用大功率晶体管脉宽调制（PWM）调速驱动系统和可控硅直流调速驱动系统两种方式。可控硅直流（SCR）驱动方式，主要通过调节触发装置控制SCR 的导通角来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小，使直流电机电枢电压的变化易平滑调速。由于SCR本身的工作原理和电源的特点，导通后是利用交流过零来关闭的，因此，在低整流电压时，其输出是很小的尖峰值的平均值，从而造成电流的不连续性。由于晶体管的开关响应特性远比SCR 好，因此前者的伺服驱动特性要比后者好得多。
所谓脉冲宽度调变(Pulse Width Modulate 简称 PWM)信号就是一连串可以调整脉冲宽度的信号。脉宽调变是一种调变或改变某个方波的简单方法。在它的基本形式上，方波工作周期（duty cycle）是根据输入信号的变化而变化。在直流电机控制系统中，为了减少流经电机绕线电流及降低功率消耗等目的，常常使用脉冲宽度调变信号(PWM)来控制交换式功率组件的开与关动作时间。 其最常使用的就是借着改变输出脉冲宽度或频率来改变电机的转速 。

图1 PWM 脉冲宽度调变信号图
若将供应电机的电源在一个固定周期做ON及OFF的控制，则ON的时间越长，电机的转速越快，反之越慢。此种ON与OFF比例控制速度的方法即称为脉冲宽度调变，ON的期间称为工作周期(duty cycle)，以百分比表示。若直流电机的供应电源电压为10伏特，乘以20%的工作周期即得到2伏特的输出至电机上，不同的工作周期对应出不同电压让直流电机转速产生不同的变化。若直流电机的供应电源电压为10伏特，乘以20%的工作周期即得到2伏特的输出至电机上，不同的工作周期对应出不同电压让直流电机转速产生不同的变化。PWM产生器方块图如下图所示，计数器采下数计数器与上数计数器的两种PWM讯号。

图2、PWM 产生器方块图
与SCR 调速单元相比，PWM 调速控制有如下的特点：
1. 电机损耗和噪声小。晶体管开关频率很高，远比转子能跟随的频率高，也即避开了机械共振。由于开关频率高，使得电枢电流仅靠电枢电感或附加较小的电抗器便可连续，所以电机损耗、发热小。
2. 系统动态特性好，响应频率宽。PWM 控制方式的速度控制单元与较小惯量的电机匹配时，可以充分发挥系统的性能，从而获得很宽的频带。频带越宽，伺服系统校正瞬态负载扰动的能力就越高。
3. 低速时电流脉动和转速脉动都很小，稳速精度高。
4. 功率晶体管工作在开关状态，其损耗小，电源利用率高，并且控制方便。
5. 回应很快。PWM 控制方式，具有四象限的运行能力，即电机能驱动负载，也能制动负载，所以响应快。
6. 功率晶体管承受高峰值电流的能力差。