第二章 直流电机驱动控制概述
调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
2.3.2 PWM调速系统的优点
与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：
（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。
（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。
（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。 脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。目前，受到器件容量的限制，PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统。
2.4直流电机调速PWM信号形成原理
PWM信号是由脉宽调制器（一个电压——脉冲变换装置）生成的，常用的脉宽调制器有以下几种：用锯齿波或三角波作调制信号的脉宽调制器；用多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉宽调制器；数字式脉宽调制器。这里简要介绍一下用三角波作调制信号的脉宽调制器生成PWM波的方法。脉宽调制器由恒频率波形发生器和脉冲宽度调制电路组成。恒频率波形发生器的作用就是产生频率恒定的振荡源作为比较的基准，如三角波。脉冲宽度调制电路，实际上就是电压/脉宽转换电路(简称V/W电路)，是PWM信号的形成电路。调制产生PWM信号的工作原理如图2-4(a)所示。
图2-4 调制产生PWM信号的工作原理
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图2-4(a)是电压比较器，输入信号为图2-4(b)中的Ui。在电压比较器的两个输入端输入控制信号和三角波信号，则比较器的输出将按以下规律变化：Ui>Ud时，输出正的电压?Ucc；Ui?Ud时，输出负的电压?Udd。由此即可产生PWM脉冲信号。
2.4.1 直流电机电枢的PWM调压调速原理
直流电机转速n的表达式为式（2-6）：
n?U?IR (2-6) K?式中：U——电枢端电压；
I——电枢电流； R——电枢电路总电阻；
?——每极磁通量； K——电动机结构参数。 本设计采用电枢控制方法。
对电动机的驱动离不开半导体功率器件。在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用可分为两种方式：线形放大驱动方式和开关驱动方式。实际生活中，绝大多数直流电动机采用开关驱动方式/开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。
2.4.2 脉宽调制占空比调节
脉宽调制即PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列的脉冲宽度进行调制，来等效地获得所需波形。图2-5是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制原理图和输入输出电压波形。在图2-5(a)中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us。t1秒后，栅极变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应者输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2-5(b)所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值U0为式（2-7）：
t1US?0t1U0??US??US （2-7）
t1?t2T9
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t1式中：?——占空比，??。
T
图2-5 PWM调速控制原理和电压波形图
占空比?表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。?的变化范围为0???1。可知，当电源电压US不变的情况下，电枢的端电压的平均值U0取决于占空比?的大小，改变?的值就可以改变电枢两端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。
在PWM调速时，占空比?是一个重要的参数，以下三种方法都可以改变占空比的值。
（1）定宽调频法。这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T(或频率)也随之改变。
（2）调宽调频法。这种方法是保持t2不变，而改变t1，这样使周期T(或频率)也随之改变。
（3）定频调宽法。这种方法是使周期T(或频率)保持不变，而同时改变t1和t2。 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法很少用。目前，在直流电动机控制中，主要使用定频调宽法。
2.4.3 PWM控制信号产生的方法
（1）分立电子元件组成的PWM信号电路。它是最早期的方法，现在已被淘汰了。
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（2）软件模拟法。利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM波输出。这种方法要占用CPU大量时间，使单片机无法进行其它工作，因此也逐渐被淘汰。
（3）专用PWM集成电路。从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已有许多中。这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动机中，使用专用的 PWM集成电路可以减轻单片机的负担，工作可靠。
（4）单片机的PWM。新一代单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只有在改变占空比是CPU才进行干预。
根据直流电动机的转矩（电流）与转速的关系，可以做一个图来表示电动机运行状态，如图2-6所示。从图中可以看出，第一象限是电动机正转运行状态；第三象限是电动机反转运行状态；第二和第四象限分别是电动机反转和正转时再生制动运行状态。电动机能在几个象限内工作与控制方式和电路结构有关。如果电动机在4个象限上都能运行，说明电动机的控制功能比较强。
图2-6 电动机4个运行象限
2.5直流电机H桥驱动原理
常用的直流电机驱动方式是H桥驱动方式，在直流电机功率较小时也用三极管或场效应管放大作放大器驱动。但目前应用最成熟和广泛的还是由三极管，场效应管，晶闸管等这些器件组成的H桥，成本低，效果好，能提供较大的驱动电压和电流，还可以控制电机转向。
采用PWM进行直流电机调速，其实就是把波形作用于电机驱动电路的使用端，因此有必要对电机驱动电路进行介绍。
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图2-7 H桥式电机驱动电路
图2-7所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（上图及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图）。电路中，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
图2-8 H桥式驱动电机顺时针转动
如图2-8所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。
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