直流電機PWM調速方法探討

一、引言

直流電機是將直流電能轉換成機械能（直流電動機）或將機械能轉換成直流電能（直流發電機）的旋轉電機。

直流電機具有優良的調速特性，調速平滑，方便，調速范圍廣，過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現頻繁的無極快速起動、制動和反轉，因為需要滿足生產過程自動化系統各種不同的特殊要求，從而對直流電機提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調速、改變電壓調速等技術已遠遠不能滿足現代科技的要求，這時候通過PWM方式控制直流電機調速的方法就應運而生。

采取傳統的調速系統主要有以下的缺陷：模擬電路容易隨時間飄移，會產生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而用PWM技術后，避免上述的缺點，實現了數字式控制模擬信號，可以大幅度減低成本和功耗。

二、H橋驅動原理

圖1中所示為一個典型的直流電機控制電路。電路得名于“H橋驅動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠。

如圖1所示，H橋式電機驅動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。

要使電機運轉，必須使對角線上的一對三極管導通。例如，如圖2所示，當Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經Q1從左至右穿過電機，然后再經Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。當三極管Q1和Q4導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅動電機按特定方向轉動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。

另一對三極管Q2和Q3導通的情況，電流將從右至左流過電機。當三極管Q2和Q3導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動（逆時針方向）如圖3所示。

三、L298N H橋驅動芯片介紹

L298N為SGS所出產的雙全橋步進電機專用驅動芯片，是一種二相和四相步進電機的專用驅動器，可同時驅動2個二相或1個四相步進電機，內含二個H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯信號，可驅動46V、2A以下的步進電機。其應用如圖4所示：

OUT1～OUT4之間接2個電動機。IN1，IN2，IN3，IN4從單片機引入控制電平，控制電機的正反轉，ENA，ENB，接控制使能端，控制電機的停轉。

對于電機的調速，我們采用PWM調速的方法。其原理就是開關管在一個周期內的導通時間為t，周期為T，則電機兩端電壓為U=Vcc*（t/T）=kVcc。

其中，k是占空比，Vcc是電源電壓，占空比越大，電機轉的越快。PWM配合橋式驅動電路，實現直流電機調速非常簡單，且調速范圍大。

四、軟件設計

編程部分采用KELI-C51語言完成，采用模塊化的設計方法，劃分成成鍵盤輸入、按鍵識別和功能、PWM脈寬控制等模塊，現將主要函數做簡單介紹。

①PWM脈寬控制：本設計中采用軟件延時方式對脈沖寬度進行控制，延時程序函數如下：

delays（）

{

uchar i；

for（i=5000；i>0；i--）；

}

②鍵盤中斷處理子程序：采用中斷方式，按下鍵，完成延時去抖動、鍵碼識別、按鍵功能執行。

要實現按住加/減速鍵不放時恒加或恒減速直到放開停止，就需在判斷是否松開該按鍵時，每進行一次增加/減少一定的占空比。

中斷程序實現如下：

uchar f=5；//計數的次數

sbit P10=P1^0；//PWM輸出波形1

sbit P11=P1^1；//PWM輸出波形2

sbit P12=P1^2；//正反轉

sbit P13=P1^3；//加速

sbit P14=P1^4；//減速

sbit P15=P1^5；//停止

sbit P16=P1^6；//啟動

void t0（）interrupt 1 using 2

{

TH0=0xb1；//重裝t0

TL0=0xe0；

f--；

if（k==0）//控制正反轉

{

……

}

else

{

……

}

if（f==0）//輸出脈沖，重新裝t0初值

{

……

display（）；//顯示功能

}

}

五、小結

該方法經過驗證，達到直流電機調速效果，而且效果良好，用示波器可觀察到PWM驅動波形。

參考文獻

[1]高衛東.51單片機原理與實踐[J].北京航空航天大學，2011.

[2]王志新.電機控制技術[M].機械工業出版社，2010.

[3]L298N中文數據手冊[S].