直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)及低轉(zhuǎn)速控制的實(shí)現(xiàn)

桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 于新業(yè) 易 藝 馬姝靚

1.引言

電機(jī)是控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，小型直流電機(jī)由于其價(jià)格低廉而得到廣泛的應(yīng)用。而目前市場(chǎng)上所售的直流電機(jī)除減速電機(jī)外，一般轉(zhuǎn)速都比較高，當(dāng)供電電壓達(dá)到某值（“閾值”）時(shí)才能被啟動(dòng)，而且電機(jī)一旦啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速就非常快。雖然直流電機(jī)具有較好的調(diào)節(jié)特性（電機(jī)轉(zhuǎn)速與供電電壓成正比），但前提條件是電機(jī)已經(jīng)正常啟動(dòng)。在實(shí)際的控制系統(tǒng)中往往需要較寬的調(diào)速范圍，如智能小車(chē)的控制，除了要對(duì)其較高速度段的速度進(jìn)行控制外，低速段的控制也極為重要。因此，本文針對(duì)直流電機(jī)低轉(zhuǎn)速控制難和控制范圍窄的問(wèn)題，在分析幾種直流電機(jī)硬件驅(qū)動(dòng)方法的基礎(chǔ)上，提出了直流電機(jī)低轉(zhuǎn)速控制的方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

直流電機(jī)硬件驅(qū)動(dòng)電路種類(lèi)很多，其中最常見(jiàn)的有經(jīng)濟(jì)型驅(qū)動(dòng)、T形橋驅(qū)動(dòng)和H橋驅(qū)動(dòng)共三種。

2.1 經(jīng)濟(jì)型驅(qū)動(dòng)

該驅(qū)動(dòng)方法只使用一只開(kāi)關(guān)管（達(dá)林頓三極管或MOS管）完成驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的通斷來(lái)接通或關(guān)斷電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。其優(yōu)點(diǎn)是使用的開(kāi)關(guān)元件少、線路簡(jiǎn)單、成本低、可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的調(diào)速，電機(jī)的一端接地，便于引出反饋信號(hào)。缺點(diǎn)是只能控制電機(jī)單方向旋轉(zhuǎn)。

2.2 T形橋驅(qū)動(dòng)

T形橋驅(qū)動(dòng)方式采用兩只開(kāi)關(guān)管完成驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的通斷可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的可逆供電以實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制，其驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。當(dāng)SW1導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)M承受正向電壓（正轉(zhuǎn)）；當(dāng)SW2導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)M承受反向電壓（反轉(zhuǎn)）。其優(yōu)點(diǎn)是使用的開(kāi)關(guān)元件較少、成本較低、線路簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制，電機(jī)的一端接地，便于引出反饋信號(hào)。缺點(diǎn)是需要正、負(fù)兩個(gè)極性的電源供電，三極管或MOS管要承受兩倍電源電壓。

2.3 H橋驅(qū)動(dòng)

H橋驅(qū)動(dòng)方式采用四只開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制，其驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。其優(yōu)點(diǎn)是只需要單極性電源就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制，而且元件的耐壓值要求低。缺點(diǎn)是所用的開(kāi)關(guān)元件較多，電路較復(fù)雜，電樞兩端浮地。在H橋驅(qū)動(dòng)電路中，四只開(kāi)關(guān)管的通、斷狀態(tài)組合可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四種運(yùn)行模式，其工作狀態(tài)真值表如表1所列。

3.直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理

直流電機(jī)調(diào)速常采用PWM（脈沖寬度調(diào)制）方法，對(duì)于經(jīng)濟(jì)型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用單極性PWM控制。其方法是通過(guò)改變電機(jī)電樞接通時(shí)間與通電時(shí)間的比值（占空比）來(lái)控制電機(jī)的速度。基本原理如圖4所示。

加載到電機(jī)電樞上的脈沖信號(hào)周期為T(mén)，當(dāng)通電時(shí)，電機(jī)速度增加；斷電時(shí)，電機(jī)速度逐漸降低。只要按照一定的規(guī)律，改變開(kāi)關(guān)管的通電和斷電時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)通電時(shí)間為T(mén)，此時(shí)電機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速Vmax，占空比為D=t1/T，則電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速應(yīng)為Vd=Vmax·D。

對(duì)于T形橋驅(qū)動(dòng)方式的直流電機(jī)調(diào)速一般采用雙極性PWM控制，如圖5所示。電機(jī)不斷的正向和反向通電，此時(shí)電機(jī)只有在脈沖信號(hào)占空比為50%時(shí)，通電和斷電的時(shí)間相同從而使電機(jī)正向和反向作用相互抵消，電機(jī)才能停轉(zhuǎn)，占空比大于50%時(shí)電機(jī)將正轉(zhuǎn)，占空比小于50%時(shí)電機(jī)將反轉(zhuǎn)。

采用H橋驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行調(diào)速時(shí)，一組對(duì)角的橋臂工作（正轉(zhuǎn)），另一組對(duì)角的橋臂應(yīng)該可靠關(guān)斷，此時(shí)工作的橋臂也可采用PWM控制，此時(shí)的PWM選用單極性方式；同理，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的工作橋臂的工作狀態(tài)相互對(duì)調(diào)即可。

表1 直流電機(jī)H橋工作狀態(tài)真值表

圖1 經(jīng)濟(jì)型驅(qū)動(dòng)電路圖

圖2 T形橋驅(qū)動(dòng)電路圖

圖3 H橋驅(qū)動(dòng)電路圖

圖4 脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)原理圖

圖5 雙極性PWM控制原理圖

4.直流電機(jī)低轉(zhuǎn)速控制方法

由于目前市場(chǎng)所售的小型直流電機(jī)大部分都是高速電機(jī)（除減速電機(jī)——帶有減速齒輪的電機(jī)），即當(dāng)電機(jī)的供電電壓低于某值（“閾值”）時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)（死區(qū)），而當(dāng)供電電壓高于該值時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速已經(jīng)很快，所以要實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行靠改變電機(jī)供電電壓的方法是很難實(shí)現(xiàn)的。而經(jīng)濟(jì)型驅(qū)動(dòng)電路采用單極性PWM控制方法進(jìn)行低速控制時(shí)，需要減少通電時(shí)間，等待電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到“死區(qū)”后才能實(shí)現(xiàn)，因此，采用這種方法控制的電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)會(huì)明顯的看到電機(jī)轉(zhuǎn)速忽高忽低的波動(dòng)狀態(tài)。

圖6 直流電機(jī)低轉(zhuǎn)速控制PWM產(chǎn)生流程圖

圖7 直流電機(jī)低轉(zhuǎn)速控制仿真圖

采用T形橋驅(qū)動(dòng)電路可以使用雙極性PWM控制方法進(jìn)行低速控制，只要選擇合適的脈沖周期T，t1時(shí)間段電機(jī)正轉(zhuǎn)，t2時(shí)間段電機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)占空比略大于50%時(shí)，正轉(zhuǎn)程度比反轉(zhuǎn)程度大，所以電機(jī)在一個(gè)脈沖周期內(nèi)朝正方向正轉(zhuǎn)一很小的角度，當(dāng)按以上規(guī)律連續(xù)通電時(shí)便可實(shí)現(xiàn)慢速運(yùn)行。

由于采用T形橋驅(qū)動(dòng)電路需要雙極性供電，電路復(fù)雜程度較高，因此H橋驅(qū)動(dòng)方式在電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制和低速控制中顯示出了優(yōu)勢(shì)。采用H橋驅(qū)動(dòng)電路雖然在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)任意一個(gè)狀態(tài)仍為單極性PWM，但方向切換比較容易，所以按照T形橋驅(qū)動(dòng)電路的思想，電機(jī)在任何時(shí)刻不是工作在正轉(zhuǎn)狀態(tài)，就是工作在反轉(zhuǎn)狀態(tài)。采用在一個(gè)脈沖周期內(nèi)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)間相等則停轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)時(shí)間大于反轉(zhuǎn)時(shí)間則正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)時(shí)間大于正轉(zhuǎn)時(shí)間則反轉(zhuǎn)的控制方法進(jìn)行控制，便可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的低轉(zhuǎn)速控制。

5.直流電機(jī)低轉(zhuǎn)速控制仿真實(shí)現(xiàn)

無(wú)論采用T形橋還是H橋進(jìn)行直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，只要能夠?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的對(duì)應(yīng)抵消效果，便可實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的控制，其程序流程圖如圖6所示。

流程圖中Period為PWM信號(hào)的周期，為表示方便將其設(shè)為100，Counter為當(dāng)前值計(jì)數(shù)器，Duty為占空比，初始設(shè)為50，此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)間相等，作用剛好抵消，處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)。改變占空比便可改變電機(jī)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)及其速度。

對(duì)于H橋驅(qū)動(dòng)電路，其正反轉(zhuǎn)控制可以使用正脈沖邏輯驅(qū)動(dòng)各橋臂的開(kāi)關(guān)管，方便實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。而對(duì)于T形橋驅(qū)動(dòng)電路，由于負(fù)電源的存在，需要將單片機(jī)的輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即0對(duì)應(yīng)輸出負(fù)電壓，1對(duì)應(yīng)輸出正電壓（或反之）才能對(duì)T形橋進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)換電路。其仿真電路如圖7所示。

6.結(jié)論

直流電機(jī)在控制系統(tǒng)中的地位十分重要，其調(diào)速和定位是直流電機(jī)控制研究的主要內(nèi)容。本文對(duì)直流電機(jī)低轉(zhuǎn)速控制方法進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法簡(jiǎn)單可行，且拓展了直流電機(jī)的調(diào)速范圍，在需要的場(chǎng)合加入閉環(huán)控制可以方便的進(jìn)行精確定位、控速，實(shí)現(xiàn)伺服控制，達(dá)到更好的控制效果。

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