摘  要： 直流電機PWM調速實質是利用電力半導體器件的開關特性控制直流電源的開通與關斷時間來改變電機兩端電壓的大小，從而實現(xiàn)調速。但電機兩端電壓的變化不僅會改變轉速，而且也會對電機轉矩、機械特性造成影響。為了研究電機PWM調速對電機運行特性的影響，搭建了直流電機驅動電路進行實驗，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的分析計算，得出PWM波影響直流電機運行特性的規(guī)律。

　　關鍵詞： PWM調速；直流電機；運行特性、

0 引言

　　PWM即脈沖寬度調制，PWM調速就是在固定的頻率下，通過控制電力半導體器件在一周期內的開通與關斷時間，調整直流電機兩端的電壓大小，從而調節(jié)電機轉速[1]。PWM調速具有控制方便、調速平滑、響應速度快等優(yōu)點，因此在直流電機調速領域中被廣泛采用[2-3]。PWM調速主要靠電壓的調整，而電壓的變化對直流電機的轉矩、機械特性也會造成影響。為研究這種影響的變化規(guī)律，設計直流電機驅動電路進行實驗，通過調節(jié)PWM波的占空比和頻率來進行對比試驗，然后對實驗數(shù)據(jù)分析計算，得到PWM調速對電機運行特性的影響。

1 直流電機運行特性

　　直流電機的運行特性主要包括轉速特性、轉矩特性、機械特性（轉速-轉矩特性）及效率特性。本文主要討論前三種特性。

　　1.1 轉速特性

　　轉速特性是指在額定電壓和額定電流的情況下，電機的轉速n與電樞電流Ia之間的關系。

　　式中，Ce為電動勢常數(shù)；為每一磁極總磁通量；U為電樞端電壓；Ia為電樞電流；Ra為電樞電路總電阻。

　　1.2 轉矩特性

　　轉矩特性是指在額定電壓和額定電流下，電機的轉矩Te與電樞電流Ia之間的關系。

　　式中，為轉矩常數(shù)。

　　1.3 機械特性

　　機械特性作為電機一個重要的特性，是指電機在額定電壓和額定電流情況下，轉速與轉矩之間的關系。

　　式中，為理想空載轉速，為機械特性斜率。

2 PWM調速電路設計方案

　　根據(jù)直流電機的運行特性公式（1）~（3）可知，直流電機的運行特性與U和Ia均有關。為準確分析PWM波對運行特性的影響，直流電機驅動電路需采集電機的電流值和電機兩端的電壓值。總體設計框圖如圖1所示[4]。

　　2.1 驅動電路

　　驅動電路由IR2110驅動芯片和場效應管搭建的H橋電路組成。IR2110是高電壓、高功率MOSFET和IGBT驅動芯片，具有獨立的高端和低端輸出通道，其高壓側可承受500 V~600 V的電壓[5]。圖2為H橋驅動電路，MOSFET選用IRF540，自舉電容為0.47 ，自舉二極管為1N5819。電機的控制信號為PWM1、PWM2，分別接STM32的PB12、PB13。其中PWM1為正轉控制信號，PWM2為反轉控制信號。PWM1和PWM2同時輸入時為能耗制動。

　　2.2 電流、電壓檢測電路

　　驅動電路電流檢測選用線性電流傳感器ACS712，該器件輸出電壓與檢測的電流有很好的線性[6]，將該芯片串接在H橋與電源之間，如圖2所示。系統(tǒng)中ACS712輸出與STM32的PA0相連。電壓檢測選用電阻分壓的方式，將電機兩端電壓接10 和1電阻接地，用STM32的PA1端口采集兩電阻之間的電壓。

　　2.3 STM32及上位機

　　STM32用于輸出PWM波以及電機的電流、電壓采集與轉換，并將數(shù)據(jù)通過串口輸出。測試中上位機為PC，選用串口調試助手作為上位機軟件。

3 數(shù)據(jù)采集

　　PWM波主要參數(shù)為占空比和頻率，為確保結果準確可靠，分別進行恒定頻率不同占空比和恒定占空比不同頻率實驗。實驗選用正科ZYTD-60SRZ的24 V/36 W永磁式電機，其空載轉速2 000 r/min，空載電流為0.23 A。

　　3.1 恒定頻率不同占空比

　　實驗中PWM輸出的頻率不變，占空比逐漸增加，從上位機得到電機的電流值和電壓值。為排除誤差引入的干擾，得到準確的數(shù)據(jù)，選擇3個不同頻率進行實驗。圖3為不同頻率下電機兩端的電壓變化曲線，表1為不同頻率下電機的電流值。

　　由實驗可知，在頻率恒定，占空比達到一定值時，電機兩端電流才會受到占空比的影響。且電機兩端的電壓與占空比呈線性關系變化。電機電流隨占空比增加而增大，低占空比時增加緩慢，占空比達到一定值后電流快速增加，之后趨于穩(wěn)定。

　　3.2 恒定占空比不同頻率

　　為使數(shù)據(jù)準確可靠，選擇占空比分別為10%、30%、50%、70%、90%、99%進行實驗。實驗過程中，占空比不變，頻率由低到高逐漸增加，得到電機的電流值和電壓值，繪制圖表如下。圖4為恒定占空比下電機兩端的電壓變化曲線，表2為恒定占空比下電機的電流值。

　　由上述實驗可知，在低占空比的情況下，頻率對電機兩端電壓影響較大，而高占空比時，影響則小得多。但是低頻時，電機運行會產生抖動，且噪聲較大；高頻時則運行平穩(wěn)，且噪聲小。該實驗中，電機在1 kHz時運行平穩(wěn)，噪聲小。電機的電流與電壓的變化規(guī)律幾乎一致，且在同一頻率下的電流變化正好印證了恒定頻率不同占空比的實驗。

4 驗證實驗

　　為了驗證實驗結果的正確性，便于對電機運行特性進行分析。選用強磁24 V直流電機驗證。其結果如表3、表4。

　　由表3、表4的數(shù)據(jù)可得到與上述實驗相同的結果，因此，可得到實驗結果如下：

　　（1）占空比達到一定值，電機兩端電壓才會增加，且與占空比近似線性；

　　（2）電流在低占空比時電流較小，達到一定值時電流迅速增大，接近額定電流時，趨于穩(wěn)定；

　　（3）電機在低頻運行時，會有抖動且噪聲大，高頻時運行平穩(wěn)、噪聲小；

　　（4）頻率對電機兩端電壓的影響與占空比有關，占空比高則影響小，占空比低則影響大；

　　（5）電機的電流變化與電壓的變化趨勢大體一致。

5 運行特性分析

　　由實驗可知，用PWM波控制電機時，占空比為影響電壓、電流的主要因素，因此需要討論占空比對運行特性的影響。該24 V/36 W直流電機的額定空載轉速n′0= 2 000 r/min，可得：

　　由可得：

　　在對電機運行特性進行分析時，可認為恒定不變，則也為定值。

　　將數(shù)據(jù)進行運算得到該直流電機運行特性隨占空比的變化曲線，如圖5~7所示。

　　（1）轉速特性

　　根據(jù)轉速公式（1），在低占空比時，由于電壓和電流變化較小，電機轉速很小，當占空比超過一定值時，電壓和電流均升高，在這一階段轉速開始上升，在占空比較高時，電機的電流和電壓接近額定值，這時轉速緩慢上升，直到達到最大值。

　　（2）轉矩特性

　　根據(jù)轉矩公式（2），轉矩主要由電機電流決定，因此轉矩的變化趨勢與電機電流相似，在低占空比時，轉矩很小，隨著占空比增加轉矩也增加，在高占空比時，轉矩逐漸趨于穩(wěn)定。

　　（3）機械特性

　　由公式（3）可知，電機的機械特性與轉速和轉矩有關，計算時設空載轉速為定值，因此機械特性主要決定因素為轉矩。在低占空比時，轉矩很小，機械特性最好，隨著占空比增加轉矩增加，機械特性逐步減小，在高占空比時，轉矩逐漸趨于穩(wěn)定，機械特性也趨于穩(wěn)定。

6 結論

　　通過搭建直流電機驅動電路，分析PWM波的占空比、頻率對直流電機兩端電壓和電流的影響，得出相關數(shù)據(jù)并進行分析得到一般性結論，然后驗證結論的正確性。根據(jù)實驗結論和直流電機運行特性的相關計算公式，分析電壓、電流的變化對運行特性的影響，從而得到脈寬調制對直流電機運行特性的影響。

　　（1）PWM波的占空比對運行特性的影響：電機轉速與轉矩變化趨勢相似，在低占空比時，轉速和轉矩很小，當占空比超過一定值時，轉速和轉矩增加，在高占空比時，轉矩逐漸趨于穩(wěn)定；而機械特性在低占空比時最好，隨著占空比增加機械特性逐步降低。

　　（2）PWM波的頻率對運行特性的影響：隨著頻率增加電機運行的抖動和噪聲減小，但綜合硬件設計，使用PWM控制電機時，應選取合適的頻率。

參考文獻

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　　[3] 焦玉朋.基于51單片機的PWM直流電機調速系統(tǒng)[D].呼和浩特：內蒙古大學，2013.

　　[4] 楊學存，楊戰(zhàn)社，孔令紅.基于ARM的嵌入式直流電機PWM調速系統(tǒng)設計[J].煤礦機械，2012（4）：255-257.

　　[5] 伍洲，方彥軍.IR2110在電機驅動器設計中的應用[J].儀表技術與傳感器，2008（11）：88-90.

　　[6] 董建懷.電流傳感器ACS712的原理與應用[J].中國科技信息，2010（5）：92-93，96.