剖析PWM调速对直流电机运行特性的影响研究

0 引言

PWM即脉冲宽度调制，PWM调速就是在固定的频率下，通过控制电力半导体器件在一周期内的开通与关断时间，调整直流电机两端的电压大小，从而调节电机转速[1]。PWM调速具有控制方便、调速平滑、响应速度快等优点，因此在直流电机调速领域中被广泛采用[2-3]。PWM调速主要靠电压的调整，而电压的变化对直流电机的转矩、机械特性也会造成影响。为研究这种影响的变化规律，设计直流电机驱动电路进行实验，通过调节PWM波的占空比和频率来进行对比试验，然后对实验数据分析计算，得到PWM调速对电机运行特性的影响。

1 直流电机运行特性

直流电机的运行特性主要包括转速特性、转矩特性、机械特性（转速-转矩特性）及效率特性。本文主要讨论前三种特性。

1.1 转速特性

转速特性是指在额定电压和额定电流的情况下，电机的转速n与电枢电流Ia之间的关系。

式中，Ce为电动势常数；

为每一磁极总磁通量；U为电枢端电压；Ia为电枢电流；Ra为电枢电路总电阻。

1.2 转矩特性

转矩特性是指在额定电压和额定电流下，电机的转矩Te与电枢电流Ia之间的关系。

式中，

为转矩常数。

1.3 机械特性

机械特性作为电机一个重要的特性，是指电机在额定电压和额定电流情况下，转速与转矩之间的关系。

式中，

为理想空载转速，

为机械特性斜率。

2 PWM调速电路设计方案

根据直流电机的运行特性公式（1）~（3）可知，直流电机的运行特性与U和Ia均有关。为准确分析PWM波对运行特性的影响，直流电机驱动电路需采集电机的电流值和电机两端的电压值。总体设计框图如图1所示[4]。

2.1 驱动电路

驱动电路由IR2110驱动芯片和场效应管搭建的H桥电路组成。IR2110是高电压、高功率MOSFET和IGBT驱动芯片，具有独立的高端和低端输出通道，其高压侧可承受500 V~600 V的电压[5]。图2为H桥驱动电路，MOSFET选用IRF540，自举电容为0.47

，自举二极管为1N5819。电机的控制信号为PWM1、PWM2，分别接STM32的PB12、PB13。其中PWM1为正转控制信号，PWM2为反转控制信号。PWM1和PWM2同时输入时为能耗制动。

2.2 电流、电压检测电路

驱动电路电流检测选用线性电流传感器ACS712，该器件输出电压与检测的电流有很好的线性[6]，将该芯片串接在H桥与电源之间，如图2所示。系统中ACS712输出与STM32的PA0相连。电压检测选用电阻分压的方式，将电机两端电压接10

和1电阻接地，用STM32的PA1端口采集两电阻之间的电压。

2.3 STM32及上位机

STM32用于输出PWM波以及电机的电流、电压采集与转换，并将数据通过串口输出。测试中上位机为PC，选用串口调试助手作为上位机软件。

3 数据采集

PWM波主要参数为占空比和频率，为确保结果准确可靠，分别进行恒定频率不同占空比和恒定占空比不同频率实验。实验选用正科ZYTD-60SRZ的24 V/36 W永磁式电机，其空载转速2 000 r/min，空载电流为0.23 A。

3.1 恒定频率不同占空比

实验中PWM输出的频率不变，占空比逐渐增加，从上位机得到电机的电流值和电压值。为排除误差引入的干扰，得到准确的数据，选择3个不同频率进行实验。图3为不同频率下电机两端的电压变化曲线，表1为不同频率下电机的电流值。

 

由实验可知，在频率恒定，占空比达到一定值时，电机两端电流才会受到占空比的影响。且电机两端的电压与占空比呈线性关系变化。电机电流随占空比增加而增大，低占空比时增加缓慢，占空比达到一定值后电流快速增加，之后趋于稳定。

3.2 恒定占空比不同频率

为使数据准确可靠，选择占空比分别为10%、30%、50%、70%、90%、99%进行实验。实验过程中，占空比不变，频率由低到高逐渐增加，得到电机的电流值和电压值，绘制图表如下。图4为恒定占空比下电机两端的电压变化曲线，表2为恒定占空比下电机的电流值。

 

由上述实验可知，在低占空比的情况下，频率对电机两端电压影响较大，而高占空比时，影响则小得多。但是低频时，电机运行会产生抖动，且噪声较大；高频时则运行平稳，且噪声小。该实验中，电机在1 kHz时运行平稳，噪声小。电机的电流与电压的变化规律几乎一致，且在同一频率下的电流变化正好印证了恒定频率不同占空比的实验。

4 验证实验

为了验证实验结果的正确性，便于对电机运行特性进行分析。选用强磁24 V直流电机验证。其结果如表3、表4。

由表3、表4的数据可得到与上述实验相同的结果，因此，可得到实验结果如下：

（1）占空比达到一定值，电机两端电压才会增加，且与占空比近似线性；

（2）电流在低占空比时电流较小，达到一定值时电流迅速增大，接近额定电流时，趋于稳定；

（3）电机在低频运行时，会有抖动且噪声大，高频时运行平稳、噪声小；

（4）频率对电机两端电压的影响与占空比有关，占空比高则影响小，占空比低则影响大；

（5）电机的电流变化与电压的变化趋势大体一致。

5 运行特性分析

由实验可知，用PWM波控制电机时，占空比为影响电压、电流的主要因素，因此需要讨论占空比对运行特性的影响。该24 V/36 W直流电机的额定空载转速n′0= 2 000 r/min，可得：

由

可得：

在对电机运行特性进行分析时，可认为

恒定不变，则

也为定值。

将数据进行运算得到该直流电机运行特性随占空比的变化曲线，如图5~7所示。

（1）转速特性

根据转速公式（1），在低占空比时，由于电压和电流变化较小，电机转速很小，当占空比超过一定值时，电压和电流均升高，在这一阶段转速开始上升，在占空比较高时，电机的电流和电压接近额定值，这时转速缓慢上升，直到达到最大值。

（2）转矩特性

根据转矩公式（2），转矩主要由电机电流决定，因此转矩的变化趋势与电机电流相似，在低占空比时，转矩很小，随着占空比增加转矩也增加，在高占空比时，转矩逐渐趋于稳定。

（3）机械特性

由公式（3）可知，电机的机械特性与转速和转矩有关，计算时设空载转速为定值，因此机械特性主要决定因素为转矩。在低占空比时，转矩很小，机械特性最好，随着占空比增加转矩增加，机械特性逐步减小，在高占空比时，转矩逐渐趋于稳定，机械特性也趋于稳定。

6 结论

通过搭建直流电机驱动电路，分析PWM波的占空比、频率对直流电机两端电压和电流的影响，得出相关数据并进行分析得到一般性结论，然后验证结论的正确性。根据实验结论和直流电机运行特性的相关计算公式，分析电压、电流的变化对运行特性的影响，从而得到脉宽调制对直流电机运行特性的影响。

（1）PWM波的占空比对运行特性的影响：电机转速与转矩变化趋势相似，在低占空比时，转速和转矩很小，当占空比超过一定值时，转速和转矩增加，在高占空比时，转矩逐渐趋于稳定；而机械特性在低占空比时最好，随着占空比增加机械特性逐步降低。

（2）PWM波的频率对运行特性的影响：随着频率增加电机运行的抖动和噪声减小，但综合硬件设计，使用PWM控制电机时，应选取合适的频率。

参考文献

[1] 何存富，周龙，宋国荣，等.基于DSP的直流电机驱动控制电路设计[J].测控技术，2007（1）：64-67.

[2] 解恩，王璞.一种新颖的直流电机PWM调制方式[J].电机与控制应用，2012（11）：29-32.

[3] 焦玉朋.基于51单片机的PWM直流电机调速系统[D].呼和浩特：内蒙古大学，2013.

[4] 杨学存，杨战社，孔令红.基于ARM的嵌入式直流电机PWM调速系统设计[J].煤矿机械，2012（4）：255-257.

[5] 伍洲，方彦军.IR2110在电机驱动器设计中的应用[J].仪表技术与传感器，2008（11）：88-90.

[6] 董建怀.电流传感器ACS712的原理与应用[J].中国科技信息，2010（5）：92-93，96.

编辑：jq