剖析PWM調(diào)速對(duì)直流電機(jī)運(yùn)行特性的影響研究

0 引言

PWM即脈沖寬度調(diào)制，PWM調(diào)速就是在固定的頻率下，通過(guò)控制電力半導(dǎo)體器件在一周期內(nèi)的開通與關(guān)斷時(shí)間，調(diào)整直流電機(jī)兩端的電壓大小，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速[1]。PWM調(diào)速具有控制方便、調(diào)速平滑、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此在直流電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中被廣泛采用[2-3]。PWM調(diào)速主要靠電壓的調(diào)整，而電壓的變化對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、機(jī)械特性也會(huì)造成影響。為研究這種影響的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波的占空比和頻率來(lái)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算，得到PWM調(diào)速對(duì)電機(jī)運(yùn)行特性的影響。

1 直流電機(jī)運(yùn)行特性

直流電機(jī)的運(yùn)行特性主要包括轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性、機(jī)械特性（轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性）及效率特性。本文主要討論前三種特性。

1.1 轉(zhuǎn)速特性

轉(zhuǎn)速特性是指在額定電壓和額定電流的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電樞電流Ia之間的關(guān)系。

式中，Ce為電動(dòng)勢(shì)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(zhuǎn)矩特性

轉(zhuǎn)矩特性是指在額定電壓和額定電流下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩Te與電樞電流Ia之間的關(guān)系。

式中，

為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

1.3 機(jī)械特性

機(jī)械特性作為電機(jī)一個(gè)重要的特性，是指電機(jī)在額定電壓和額定電流情況下，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。

式中，

為理想空載轉(zhuǎn)速，

為機(jī)械特性斜率。

2 PWM調(diào)速電路設(shè)計(jì)方案

根據(jù)直流電機(jī)的運(yùn)行特性公式（1）~（3）可知，直流電機(jī)的運(yùn)行特性與U和Ia均有關(guān)。為準(zhǔn)確分析PWM波對(duì)運(yùn)行特性的影響，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路需采集電機(jī)的電流值和電機(jī)兩端的電壓值?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示[4]。

2.1 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路由IR2110驅(qū)動(dòng)芯片和場(chǎng)效應(yīng)管搭建的H橋電路組成。IR2110是高電壓、高功率MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)芯片，具有獨(dú)立的高端和低端輸出通道，其高壓側(cè)可承受500 V~600 V的電壓[5]。圖2為H橋驅(qū)動(dòng)電路，MOSFET選用IRF540，自舉電容為0.47

，自舉二極管為1N5819。電機(jī)的控制信號(hào)為PWM1、PWM2，分別接STM32的PB12、PB13。其中PWM1為正轉(zhuǎn)控制信號(hào)，PWM2為反轉(zhuǎn)控制信號(hào)。PWM1和PWM2同時(shí)輸入時(shí)為能耗制動(dòng)。

2.2 電流、電壓檢測(cè)電路

驅(qū)動(dòng)電路電流檢測(cè)選用線性電流傳感器ACS712，該器件輸出電壓與檢測(cè)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(cè)選用電阻分壓的方式，將電機(jī)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(jī)

STM32用于輸出PWM波以及電機(jī)的電流、電壓采集與轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)通過(guò)串口輸出。測(cè)試中上位機(jī)為PC，選用串口調(diào)試助手作為上位機(jī)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(jié)果準(zhǔn)確可靠，分別進(jìn)行恒定頻率不同占空比和恒定占空比不同頻率實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用正科ZYTD-60SRZ的24 V/36 W永磁式電機(jī)，其空載轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)中PWM輸出的頻率不變，占空比逐漸增加，從上位機(jī)得到電機(jī)的電流值和電壓值。為排除誤差引入的干擾，得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，選擇3個(gè)不同頻率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖3為不同頻率下電機(jī)兩端的電壓變化曲線，表1為不同頻率下電機(jī)的電流值。

由實(shí)驗(yàn)可知，在頻率恒定，占空比達(dá)到一定值時(shí)，電機(jī)兩端電流才會(huì)受到占空比的影響。且電機(jī)兩端的電壓與占空比呈線性關(guān)系變化。電機(jī)電流隨占空比增加而增大，低占空比時(shí)增加緩慢，占空比達(dá)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(zhǔn)確可靠，選擇占空比分別為10%、30%、50%、70%、90%、99%進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，占空比不變，頻率由低到高逐漸增加，得到電機(jī)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(jī)兩端的電壓變化曲線，表2為恒定占空比下電機(jī)的電流值。

由上述實(shí)驗(yàn)可知，在低占空比的情況下，頻率對(duì)電機(jī)兩端電壓影響較大，而高占空比時(shí)，影響則小得多。但是低頻時(shí)，電機(jī)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，且噪聲較大；高頻時(shí)則運(yùn)行平穩(wěn)，且噪聲小。該實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)在1 kHz時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲小。電機(jī)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(shí)驗(yàn)。

4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，便于對(duì)電機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行分析。選用強(qiáng)磁24 V直流電機(jī)驗(yàn)證。其結(jié)果如表3、表4。

由表3、表4的數(shù)據(jù)可得到與上述實(shí)驗(yàn)相同的結(jié)果，因此，可得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）占空比達(dá)到一定值，電機(jī)兩端電壓才會(huì)增加，且與占空比近似線性；

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

（3）電機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，會(huì)有抖動(dòng)且噪聲大，高頻時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲小；

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

（5）電機(jī)的電流變化與電壓的變化趨勢(shì)大體一致。

5 運(yùn)行特性分析

由實(shí)驗(yàn)可知，用PWM波控制電機(jī)時(shí)，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(duì)運(yùn)行特性的影響。該24 V/36 W直流電機(jī)的額定空載轉(zhuǎn)速n′0= 2 000 r/min，可得：

由

可得：

在對(duì)電機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行分析時(shí)，可認(rèn)為

恒定不變，則

也為定值。

將數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算得到該直流電機(jī)運(yùn)行特性隨占空比的變化曲線，如圖5~7所示。

（1）轉(zhuǎn)速特性

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

（2）轉(zhuǎn)矩特性

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

（3）機(jī)械特性

由公式（3）可知，電機(jī)的機(jī)械特性與轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩有關(guān)，計(jì)算時(shí)設(shè)空載轉(zhuǎn)速為定值，因此機(jī)械特性主要決定因素為轉(zhuǎn)矩。在低占空比時(shí)，轉(zhuǎn)矩很小，機(jī)械特性最好，隨著占空比增加轉(zhuǎn)矩增加，機(jī)械特性逐步減小，在高占空比時(shí)，轉(zhuǎn)矩逐漸趨于穩(wěn)定，機(jī)械特性也趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)論

通過(guò)搭建直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，分析PWM波的占空比、頻率對(duì)直流電機(jī)兩端電壓和電流的影響，得出相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析得到一般性結(jié)論，然后驗(yàn)證結(jié)論的正確性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論和直流電機(jī)運(yùn)行特性的相關(guān)計(jì)算公式，分析電壓、電流的變化對(duì)運(yùn)行特性的影響，從而得到脈寬調(diào)制對(duì)直流電機(jī)運(yùn)行特性的影響。

（1）PWM波的占空比對(duì)運(yùn)行特性的影響：電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩變化趨勢(shì)相似，在低占空比時(shí)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩很小，當(dāng)占空比超過(guò)一定值時(shí)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩增加，在高占空比時(shí)，轉(zhuǎn)矩逐漸趨于穩(wěn)定；而機(jī)械特性在低占空比時(shí)最好，隨著占空比增加機(jī)械特性逐步降低。

（2）PWM波的頻率對(duì)運(yùn)行特性的影響：隨著頻率增加電機(jī)運(yùn)行的抖動(dòng)和噪聲減小，但綜合硬件設(shè)計(jì)，使用PWM控制電機(jī)時(shí)，應(yīng)選取合適的頻率。

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