認(rèn)識(shí)一下直流電機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)控制電路

介紹

PWM 脈寬調(diào)制是一種調(diào)節(jié)直流電機(jī)速度的好辦法，本文描述了兩種驅(qū)動(dòng)電路，采用24V供電（可接受輸入范圍15V-30V），最大電流80A。這些驅(qū)動(dòng)器可以用來(lái)調(diào)節(jié)小型電動(dòng)車的行駛速度。第一個(gè)驅(qū)動(dòng)器用了一個(gè)PROFET功率管，以500Hz的開(kāi)關(guān)頻率工作。第二個(gè)則用的是MOSFET功率管，以20KHz的頻率工作。我們都知道，開(kāi)關(guān)頻率高的更加理想。

開(kāi)關(guān)理論

理想的開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)該比電機(jī)的轉(zhuǎn)速高得多，讓電機(jī)產(chǎn)生一種真正是被直流驅(qū)電動(dòng)的錯(cuò)覺(jué)。定量的說(shuō)，開(kāi)關(guān)頻率至少要是電機(jī)轉(zhuǎn)速的5倍以上。舉個(gè)例子，如果電機(jī)轉(zhuǎn)速6000rpm(100 rps)，開(kāi)關(guān)頻率就得是100Hz * 5 = 500Hz以上。另外還有一種計(jì)算方法是開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)高于電機(jī)的時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)，即1/Ta，其中Ta=L/R 是電機(jī)時(shí)間常數(shù)。

L和R，很顯然，代表的是電機(jī)的內(nèi)部阻抗。 典型的直流電機(jī)，如200W功率，24V供電的，L =1mH，R=0.5歐. 這樣算下來(lái)，1/Ta = R/L = 0.5/0.001 = 500Hz, 這樣一來(lái)的話，開(kāi)關(guān)頻率就要達(dá)到KHz量級(jí)。前文所述的20KHz正是一種常用的頻率。這同時(shí)也避開(kāi)了電機(jī)在音頻范圍內(nèi)的振動(dòng)和噪聲干擾。

搭建指南

下圖中的電路不難在面包板上搭出來(lái)，最好把功率器件（PROFET或MOSFET）單獨(dú)放在一塊板上，并配上散熱器。看看后面的實(shí)物電路照片，功率器件必須要和供電電源或者蓄電池以及電機(jī)用很粗的線纜連接。本文用的是1.5mm(1.77平方毫米)的鍍錫銅線連接功率器件和線纜接插件。這對(duì)于平均電流20A以下的電機(jī)來(lái)說(shuō)足夠了。接插件再引出導(dǎo)線的截面積則要達(dá)到2平方毫米以上。對(duì)于更高電流的電機(jī)，很顯然要用更加組厚的線纜。在這里要特別注意不能有任何形式的短路，特別是和大容量蓄電池相連的時(shí)候。必須要用帶限流的供電電源，并且先用一個(gè)小號(hào)的電機(jī)，上電測(cè)試電路能否正常工作。

PWM電路設(shè)計(jì)

通過(guò)上圖左下角那個(gè)47K的可變電阻，PWM信號(hào)的占空比從0%-100%可調(diào)，而右上角的R和C決定了輸出濾波的截止頻率，兩種不同的截止頻率對(duì)應(yīng)的電阻和電容選值。

12V電源供電

小電流的電路部分（不包含電機(jī)），可以用一個(gè)12V的線性電源供電。輸入電壓設(shè)計(jì)在15V以上，最大電流1A，加散熱器。

基于功率PROFET的 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)

第一種電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路基于PROFET管 BTS555，工作在500Hz的開(kāi)關(guān)頻率，可以說(shuō)BTS555相對(duì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)低速器件。需要注意的是BTS 555和兩個(gè)二極管DS75-08B和DS175-08B驅(qū)動(dòng)更高電流的電機(jī)時(shí)，需要更大號(hào)的散熱器。目前更加常見(jiàn)，更好的設(shè)計(jì)是下面基于MOSFET的版本。

基于功率MOSFET的PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)

之所以MOSFET方案更好的原因，毋庸贅言是它的開(kāi)關(guān)頻率更高，達(dá)到20KHz. 這個(gè)電路同時(shí)避免了PROFET設(shè)計(jì)中功率二極管的壓降和功率損耗。不過(guò)，MOSFET本身需要一定的功率驅(qū)動(dòng)，因?yàn)镸OSFET的容性負(fù)載很大，門(mén)級(jí)要2A以上的電流驅(qū)動(dòng)才能導(dǎo)通。因此在PWM電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路之間，還需要插入一級(jí)MOSFET驅(qū)動(dòng)電路。同時(shí)，隨著電機(jī)電流的加大，它也需要更大的散熱器。

MOSFET 驅(qū)動(dòng)范例1

一種可行的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，不如范例2的優(yōu)秀。

MOSFET 驅(qū)動(dòng)范例2

堪稱最好的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，用的是專用芯片EL7212CN作為核心，需要注意的是這種電路的輸出邏輯是反向的。

一些示波器觀察到的信號(hào)

這些波形是通過(guò)PicoScope 示波器在PC上測(cè)量并獲取到的。電流是用一個(gè)0.1歐姆,10W的繞線電阻，測(cè)量?jī)啥藟翰顡Q算出來(lái)的，不排除它的感性負(fù)載。這個(gè)電路和電機(jī)（我們也測(cè)試了車燈）串行連接，工作電壓18V，通過(guò)一個(gè)最大電流15A的直流電源提供。信號(hào)周期邊沿上的尖峰過(guò)沖是因?yàn)楣╇婋娫吹捻憫?yīng)頻率沒(méi)那么快造成的，在直流電壓瞬間切換時(shí)沒(méi)有那么快就能穩(wěn)定下來(lái)。實(shí)測(cè)的直流電機(jī)未加負(fù)載（15V，100W），作為對(duì)比，還測(cè)量了一個(gè)車燈（12V 50W的常見(jiàn)型號(hào)）。

500Hz,30%占空比的PWM脈沖驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，因?yàn)槊}沖頻率較低，電機(jī)的電流隨著脈沖波形有明顯周期起伏

20KHz,30%占空比的PWM脈沖驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，因?yàn)槊}沖頻率很高，所有電機(jī)的電流看上去是近乎是直流。當(dāng)然，還有一些不可避免的尖峰脈沖出現(xiàn)。

500Hz，30%占空比的脈沖驅(qū)動(dòng)車燈，在這個(gè)頻率下，車燈幾乎表現(xiàn)出純阻性，電流和電壓同步變化。

20KHz，30%占空比的脈沖驅(qū)動(dòng)車燈，在這個(gè)頻率下，車燈的感抗體現(xiàn)出來(lái)，造成了電流信號(hào)邊沿的巨大尖峰過(guò)沖。