脈沖寬度和波形調(diào)制

有許多不同的方法可以控制直流電機(jī)的速度，但一種非常簡(jiǎn)單易用的方法是使用脈沖寬度調(diào)制。

但是在我們開始查看輸入和輸出之前脈沖寬度調(diào)制我們需要更多地了解直流電機(jī)的工作原理。

在步進(jìn)電機(jī)旁邊，永磁直流電機(jī)（PMDC）是最常用的小型直流電機(jī)可以輕松控制的連續(xù)轉(zhuǎn)速。適用于各種應(yīng)用的小型直流電機(jī)需要進(jìn)行速度控制，例如小型玩具，模型，機(jī)器人和其他類似的電子電路。

直流電機(jī)基本上由兩部分組成，即電機(jī)的固定體稱為“定子”，內(nèi)部旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生稱為“轉(zhuǎn)子”的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于直流電機(jī)，轉(zhuǎn)子通常被稱為“電樞”。

通常在小型輕型直流電機(jī)中，定子由一對(duì)固定的永磁體組成，在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生均勻且靜止的磁通量，從而提供這些類型電動(dòng)機(jī)的名稱為“永磁直流”（PMDC）電動(dòng)機(jī)。

電動(dòng)機(jī)電樞由單個(gè)電氣線圈組成，這些電氣線圈圍繞其金屬體以圓形結(jié)構(gòu)連接在一起，產(chǎn)生一個(gè)北極然后一個(gè)南極然后是北極等類型的現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)配置。

在這些轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)流動(dòng)的電流產(chǎn)生必要的電磁場(chǎng)。由電樞繞組產(chǎn)生的圓形磁場(chǎng)在電樞周圍產(chǎn)生北極和南極，它們被定子的永磁體排斥或吸引，產(chǎn)生圍繞電動(dòng)機(jī)中心軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖所示。

2極永磁電機(jī)

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當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電流從電機(jī)端子傳遞到下一組電樞通過(guò)位于換向器周圍的碳刷繞組產(chǎn)生另一個(gè)磁場(chǎng)，每次電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，一組新的電樞繞組通電，迫使電樞越來(lái)越多地旋轉(zhuǎn)等等。

所以旋轉(zhuǎn)速度直流電動(dòng)機(jī)取決于兩個(gè)磁場(chǎng)之間的相互作用，一個(gè)由定子的固定永磁體設(shè)置，另一個(gè)由電樞旋轉(zhuǎn)電磁鐵，通過(guò)控制這種相互作用，我們可以控制旋轉(zhuǎn)速度。

定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)永久磁鐵是固定的，因此無(wú)法改變，但如果我們通過(guò)控制流過(guò)繞組的電流來(lái)改變電樞電磁場(chǎng)的強(qiáng)度，將產(chǎn)生或多或少的磁通量，從而產(chǎn)生更強(qiáng)或更弱的相互作用，因此更快或更慢的速度。

然后直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速（ N ）與反電動(dòng)勢(shì)成比例（ V b ）電機(jī)除以磁通量（永磁體為常數(shù)）乘以機(jī)電常數(shù)，取決于電樞繞組的性質(zhì)（ K e ）給我們方程：NαV/ K e Φ。

那么我們?nèi)绾慰刂仆ㄟ^(guò)電機(jī)的電流。很多人試圖使用與電機(jī)串聯(lián)的大型可變電阻器（變阻器）來(lái)控制直流電機(jī)的速度，如圖所示。

雖然這可能有效，但與Scalextric老虎機(jī)賽車一樣，它在阻力中產(chǎn)生大量的熱量和浪費(fèi)的能量?？刂齐姍C(jī)速度的一種簡(jiǎn)單易行的方法是調(diào)節(jié)其端子上的電壓量，這可以通過(guò)“脈沖寬度調(diào)制”或PWM來(lái)實(shí)現(xiàn)。

顧名思義，脈沖寬度調(diào)制速度控制的工作原理是通過(guò)一系列“ON-OFF”脈沖驅(qū)動(dòng)電機(jī)并改變占空比，輸出電壓為“ON”的時(shí)間與“OFF”時(shí)相比。在保持頻率恒定的情況下，可以控制脈沖。

可以通過(guò)改變這些施加脈沖的寬度來(lái)控制施加到電動(dòng)機(jī)的功率，從而改變施加到電動(dòng)機(jī)端子的平均DC電壓。通過(guò)改變或調(diào)制這些脈沖的定時(shí)，可以控制電動(dòng)機(jī)的速度，即，脈沖“ON”越長(zhǎng)，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)得越快，同樣，脈沖“ON”越短，電動(dòng)機(jī)越慢。會(huì)旋轉(zhuǎn)。

換句話說(shuō)，脈沖寬度越寬，施加到電機(jī)端子的平均電壓越大，電樞繞組內(nèi)的磁通量越強(qiáng)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度就越快，這就顯示出來(lái)了。下面。

脈沖寬度調(diào)制波形

使用脈沖寬度調(diào)制來(lái)控制小型電機(jī)具有優(yōu)勢(shì)因?yàn)?a target="_blank">晶體管完全“接通”或完全“斷開”，所以開關(guān)晶體管中的功率損耗很小。因此，開關(guān)晶體管的功耗大大降低，使其具有線性控制，從而提高了速度穩(wěn)定性。

電機(jī)電壓幅度也保持不變，因此電機(jī)始終處于全強(qiáng)度狀態(tài)。結(jié)果是電機(jī)可以更慢地旋轉(zhuǎn)而不會(huì)停轉(zhuǎn)。那么我們?nèi)绾萎a(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)來(lái)控制電機(jī)。輕松，使用Astable 555振蕩器電路，如下所示。

這個(gè)簡(jiǎn)單的電路基于熟悉的NE555或7555定時(shí)器芯片用于以固定頻率輸出產(chǎn)生所需的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。定時(shí)電容 C 通過(guò)流經(jīng)時(shí)序網(wǎng)絡(luò) R A 和 R B 正如我們?cè)?55定時(shí)器教程中所看到的那樣。

555引腳3的輸出信號(hào)等于將晶體管完全“接通”的電源電壓。 C 充電或放電所需的時(shí)間取決于 R A ， R B 的值。

電容器通過(guò)網(wǎng)絡(luò) R A 充電，但轉(zhuǎn)向電阻網(wǎng)絡(luò) R B 并通過(guò)二極管 D 1 。一旦電容器充電，它立即通過(guò)二極管 D 2 和網(wǎng)絡(luò) R B 放電到引腳7.在放電過(guò)程中，引腳3的輸出為0 V，晶體管切換為“OFF”。

然后電容器需要一段時(shí)間， C 通過(guò)一個(gè)完整的充放電循環(huán)取決于 R A ， R B 和 C 時(shí)間 T 一個(gè)完整周期給出如下：

時(shí)間， T H ，其中輸出為“ON”為： T H = 0.693（R A ）。C

時(shí)間， T L ，輸出為“OFF”為： T L = 0.693（R B ）.C

總“ON” - “關(guān)閉”循環(huán)時(shí)間給定為： T = T H + T L 輸出頻率?= 1 / T

顯示組件值時(shí)，使用6.0V電源，可以將波形的占空比從大約8.3％（0.5V）調(diào)節(jié)到大約91.7％（5.5V）。 Astable頻率恒定在256 Hz左右，電機(jī)以此速率“ON”和“OFF”。

電阻 R 1 加上電位計(jì)的“頂部”部分 VR 1 表示 R A 的電阻網(wǎng)絡(luò)。而電位器的“底部”加上 R 2 表示 R B 的電阻網(wǎng)絡(luò)。

可以更改這些值以適應(yīng)不同的應(yīng)用和直流電機(jī)，但是如果555 Astable電路在最低幾百赫茲的速度下運(yùn)行得足夠快，那么電機(jī)的旋轉(zhuǎn)應(yīng)該沒有急動(dòng)。

二極管 D 3 是我們最喜歡的飛輪二極管，用于保護(hù)電子電路免受電機(jī)的感應(yīng)負(fù)載。此外，如果電機(jī)負(fù)載較高，則在開關(guān)晶體管或MOSFET上放置一個(gè)散熱器。

脈沖寬度調(diào)制是一種控制輸送到負(fù)載的功率而不會(huì)耗散的好方法任何浪費(fèi)的力量。上述電路還可用于控制風(fēng)扇的速度或調(diào)暗DC燈或LED的亮度。如果您需要對(duì)其進(jìn)行控制，請(qǐng)使用脈沖寬度調(diào)制進(jìn)行控制。