【原创】【图】大家最容易忽视的问题，浅谈PWM控制电机中

只看该作者 · 2009-2-28 06:14

先简单说说这几种模式
(1)双极模式，即电枢电压极性是正负交替的，
   优点：能正反转运行，启动快，调速精度高，动态性能好，调速静差小，调速范围大，能加速，减速，刹车，倒转，能在负载超过设定速度时，提供反向力矩,能克服电机轴承的静态摩擦力，产生非常低的转速。
   缺点：控制电路复杂。
(2)单极模式，即电机电枢驱动电压极性是单一的
   优点：启动快，能加速，刹车，能耗制动，能量反馈，调速性能不如双极模式好，但是相差不多，电机特性也比较好。如果接成H桥模式，也能实现反转。
在负载超速时也能提供反向力矩。
   缺点：刹车时，不能减速到0，速度接近0速度时没有制动力。不能突然倒转。动态性能不好，调速静差稍大。
(3)受限单极模式，即除了单极调制外，能耗制动通路受到了限制。
   优点:控制电路简单，如果接成H桥模式，也能正反转。
   缺点:不能刹车，不能能耗制动,在负载超过设定速度时不能提供反向力矩。
        调速静差大，调速性能很差，稳定性也不好。

只看该作者 · 2009-2-28 07:01

受限单极模式

只看该作者 · 2009-2-28 07:01

单极模式

只看该作者 · 2009-2-28 07:02

只看该作者 · 2009-2-28 07:14

画图好累啊 ___
首先，这里的PWM和PWM 都是已经经过处理后，能直接驱动功率管的信号，而不是单片机输出的PWM信号，至于MOS管的驱动方法，这里不讨论。
___
PWM 信号是和PWM信号互补的，逻辑上互补，而不是电平的互补。
还有默认这两个信号已经经过了死区控制，不回产生同时导通的问题。
除了第一个图外，功率管上必须并联续流二极管，要么是MOS管里自带的，要么就是BJT再并联的，或者MOS管并联肖特基。

其实我们大家平时控制电机用的都是如图1所示的那种样子，
这种模式叫受限单极调制，只有加速和调速功能，是没有刹车功能的，电机速度下降靠负载摩擦，也没有负力矩。
比如说，设定速度是50%，但是电机因为外力速度达到了60%了，电机也不会减速，只有电机速度超过100%时，电机产生的反电动势超过了电源电压，才会产生反向力矩，那个另当别论。
像以前的有刷电动自行车采用的就是这种控制方法，只能加速，不能减速，速度控制也不精确，但是足够满足要求了。

其次，我们想要电机实现正反转，也只不过是用到了图2和图4的样子，
这个虽然是接成了H桥的样子，但是实际上还是受限单极调制，把图2的Q4拿掉，Q1变成一个二极管，电路就又变成了图1的样子。其他的图都同理。

只看该作者 · 2009-2-28 07:46

如果想得到有刹车的功能，     ___
就必须使用一个与PWM信号互补的PWM信号。
这个信号在PWM关断期间，为电机提供一个续流通道，
相当于开关电源的同步续流吧，也有称之为同步整流。
按道理，那个二极管也能提供续流通道如图6中的Q1,
但是用MOS管作为续流通道有2个好处，
第一，导通压降低，比二极管发热更少，效率更高，
第二，二极管上不能产生反向电流，而MOS管可以通过反向电流
      其实二极管的反向电流对于MOS管来讲是正向电流，
      电机反电动势在PWM关断时间的伏秒数大于电源电压在PWM开通时间加在电机上的伏秒数，小于，那么电机会产生反向电流,使电机产生反向力矩，
      因为直流永磁电机的力矩是正比例于电流的，反向电流就会产生反向力矩。视这个电流的大小，电机就能减速或者刹车了。而且电机上的这个反向电流还会在PWM开通时间回馈到电源中去，做到了能量回馈。如果电源是二次电池，那么这是有好处的，如果不是电池的话，会使母线电压升高，要做一些能量消耗的措施。
      说白了，就是你的PWM占空比就能控制电机的转速，电机的转速会跟随的你PWM占空比变化，你的占空比加大，电机就会加速，你的占空比减小，电机就会减速，你减得快，就相当于刹车，如果控制得好，可以做到很迅速但是又很柔和的刹车效果。
    但是如果你的占空比突然减到0，就相当于把电机短路了，这是急刹车，会不会损坏要看电机的内阻，功率，惯性，还要看功率管的过载能力。当然还考验电机的机械强度，因为这种刹车从表面上看，就好像直接用硬物把电机卡住的效果差不多，发出的声响也是十分巨大的金属声。
      当然，还有更急的刹车办法，就是把电机切换到反向运行状态，但是这种方法是有很大的隐患的，往往会造成器件损坏。
    不过话又说回来了，那种受限单极PWM调制方法，只能使用这1种刹车或减速模式，既没有好的效果，又容易损伤器件。
    所以如果需要电机带刹车的话，尽量使用单极调制或双极调制，不要使用受限单极调制模式。
    一般电动轮椅的电机都是采用这种模式控制的。

    再说说双极模式，
    双极模式，只有H桥一种接法，而且4只管子同时工作。如图11
    斜对角的两个管子通相同相位的信号，如Q1和Q4,而另外两只管子用与之互补的信号驱动。在PWM导通器件，电机两端的驱动电压是正的，在PWM关断器件，电机两端驱动电压是负的。
    当PWM占空比为50%时，电机保持静止状态，当PWM占空比大于50%时，电机正转，当PWM占空比小于50%时，电机反转。
    其实当占空比为50%时，电机并不是静止的，而是在原地抖动，因为电机上的电流也是一个交流的，这个抖动能有效克服电机的静摩擦，使电机能快速启动，迅速反应，适用与需要动态性能好的场合，比如说，光驱里面控制光头前后移动的电机，直流伺服电机，还有就是现在匠人正做的那个二轮小车驱动车轮的电机也适合用这个方法来驱动。
    当然了，单极和双极调制也可以把4只管子都关断，使电机自由减速，而不是靠方向力矩来进行减速。

只看该作者 · 2009-2-28 09:01

1万 · 2009-2-28 09:30

只看该作者 · 2009-2-28 12:40

向斑竹要条裤子穿

只看该作者 · 2009-2-28 15:55

图10有误，正确的应该是Q1和Q2的两个驱动信号交换，
___
即Q1接PWM Q2接PWM

只看该作者 · 2009-2-28 20:37

以上都是以直流有刷电机为例说明的，
事实上，无刷电机的特性与有刷电机相同，只是机械换相器变成了电子换相器，
其实也可以用这个理论来推导，
只不过它用的桥不是H桥，而是三相全桥。
他也可以分成单极，双极，受限单极模式。

其实如果接成H桥的形式，这三种调制模式的硬件电路是完全相同的，
所不同的只是PWM信号的处理方式，与前级的逻辑有关。