談PWM控制電機
2025-4-1 14:34:56??????點擊：
先簡單說說這幾種模式
(1)雙極模式，即電樞電壓極性是正負交替的，
優點：能正反轉運行，啟動快，調速精度高，動態性能好，調速靜差小，調速范圍大，能加速，減速，剎車，倒轉，能在負載超過設定速度時，提供反向力矩,能克服電機軸承的靜態摩擦力，產生非常低的轉速。
缺點：控制電路復雜。
(2)單極模式，即電機電樞驅動電壓極性是單一的
優點：啟動快，能加速，剎車，能耗制動，能量反饋，調速性能不如雙極模式好，但是相差不多，電機特性也比較好。如果接成H橋模式，也能實現反轉。
在負載超速時也能提供反向力矩。
缺點：剎車時，不能減速到0，速度接近0速度時沒有制動力。不能突然倒轉。動態性能不好，調速靜差稍大。
(3)受限單極模式，即除了單極調制外，能耗制動通路受到了限制。
優點:控制電路簡單，如果接成H橋模式，也能正反轉。
缺點:不能剎車，不能能耗制動,在負載超過設定速度時不能提供反向力矩。
調速靜差大，調速性能很差，穩定性也不好。
首先，這里的PWM和PWM 都是已經經過處理后，能直接驅動功率管的信號，而不是單片機輸出的PWM信號，至于MOS管的驅動方法，這里不討論。
___
PWM 信號是和PWM信號互補的，邏輯上互補，而不是電平的互補。
還有默認這兩個信號已經經過了死區控制，不回產生同時導通的問題。
除了第一個圖外，功率管上必須并聯續流二極管，要么是MOS管里自帶的，要么就是BJT再并聯的，或者MOS管并聯肖特基。
其實我們大家平時控制電機用的都是如圖1所示的那種樣子，
這種模式叫受限單極調制，只有加速和調速功能，是沒有剎車功能的，電機速度下降靠負載摩擦，也沒有負力矩。
比如說，設定速度是50%，但是電機因為外力速度達到了60%了，電機也不會減速，只有電機速度超過100%時，電機產生的反電動勢超過了電源電壓，才會產生反向力矩，那個另當別論。
像以前的有刷電動自行車采用的就是這種控制方法，只能加速，不能減速，速度控制也不精確，但是足夠滿足要求了。
其次，我們想要電機實現正反轉，也只不過是用到了圖2和圖4的樣子，
這個雖然是接成了H橋的樣子，但是實際上還是受限單極調制，把圖2的Q4拿掉，Q1變成一個二極管，電路就又變成了圖1的樣子。其他的圖都同理。
單極調制和雙極調制
如果想得到有剎車的功能，
就必須使用一個與PWM信號互補的PWM信號。
這個信號在PWM關斷期間，為電機提供一個續流通道，
相當于開關電源的同步續流吧，也有稱之為同步整流。
按道理，那個二極管也能提供續流通道如圖6中的Q1,
但是用MOS管作為續流通道有2個好處，
第一，導通壓降低，比二極管發熱更少，效率更高，
第二，二極管上不能產生反向電流，而MOS管可以通過反向電流
其實二極管的反向電流對于MOS管來講是正向電流，
電機反電動勢在PWM關斷時間的伏秒數 大于 電源電壓在PWM開通時間加在電機上的伏秒數，小于，那么電機會產生反向電流,使電機產生反向力矩，
因為直流永磁電機的力矩是正比例于電流的，反向電流就會產生反向力矩。視這個電流的大小，電機就能減速或者剎車了。而且電機上的這個反向電流還會在PWM開通時間回饋到電源中去，做到了能量回饋。如果電源是二次電池，那么這是有好處的，如果不是電池的話，會使母線電壓升高，要做一些能量消耗的措施。
說白了，就是你的PWM占空比就能控制電機的轉速，電機的轉速會跟隨的你PWM占空比變化，你的占空比加大，電機就會加速，你的占空比減小，電機就會減速，你減得快，就相當于剎車，如果控制得好，可以做到很迅速但是又很柔和的剎車效果。
但是如果你的占空比突然減到0，就相當于把電機短路了，這是急剎車，會不會損壞要看電機的內阻，功率，慣性，還要看功率管的過載能力。當然還考驗電機的機械強度，因為這種剎車從表面上看，就好像直接用硬物把電機卡住的效果差不多，發出的聲響也是十分巨大的金屬聲。
當然，還有更急的剎車辦法，就是把電機切換到反向運行狀態，但是這種方法是有很大的隱患的，往往會造成器件損壞。
不過話又說回來了，那種受限單極PWM調制方法，只能使用這1種剎車或減速模式，既沒有好的效果，又容易損傷器件。
所以如果需要電機帶剎車的話，盡量使用單極調制或雙極調制，不要使用受限單極調制模式。
一般電動輪椅的電機都是采用這種模式控制的。
再說說雙極模式，
雙極模式，只有H橋一種接法，而且4只管子同時工作。如圖11
斜對角的兩個管子通相同相位的信號，如Q1和Q4,而另外兩只管子用與之互補的信號驅動。在PWM導通器件，電機兩端的驅動電壓是正的，在PWM關斷器件，電機兩端驅動電壓是負的。
當PWM占空比為50%時，電機保持靜止狀態，當PWM占空比大于50%時，電機正轉，當PWM占空比小于50%時，電機反轉。
其實當占空比為50%時，電機并不是靜止的，而是在原地抖動，因為電機上的電流也是一個交流的，這個抖動能有效克服電機的靜摩擦，使電機能快速啟動，迅速反應，適用與需要動態性能好的場合，比如說，光驅里面控制光頭前后移動的電機，直流伺服電機，還有就是現在匠人正做的那個二輪小車驅動車輪的電機也適合用這個方法來驅動。
當然了，單極和雙極調制也可以把4只管子都關斷，使電機自由減速，而不是靠方向力矩來進行減速。
(1)雙極模式，即電樞電壓極性是正負交替的，
優點：能正反轉運行，啟動快，調速精度高，動態性能好，調速靜差小，調速范圍大，能加速，減速，剎車，倒轉，能在負載超過設定速度時，提供反向力矩,能克服電機軸承的靜態摩擦力，產生非常低的轉速。
缺點：控制電路復雜。
(2)單極模式，即電機電樞驅動電壓極性是單一的
優點：啟動快，能加速，剎車，能耗制動，能量反饋，調速性能不如雙極模式好，但是相差不多，電機特性也比較好。如果接成H橋模式，也能實現反轉。
在負載超速時也能提供反向力矩。
缺點：剎車時，不能減速到0，速度接近0速度時沒有制動力。不能突然倒轉。動態性能不好，調速靜差稍大。
(3)受限單極模式，即除了單極調制外，能耗制動通路受到了限制。
優點:控制電路簡單，如果接成H橋模式，也能正反轉。
缺點:不能剎車，不能能耗制動,在負載超過設定速度時不能提供反向力矩。
調速靜差大，調速性能很差，穩定性也不好。
首先，這里的PWM和PWM 都是已經經過處理后，能直接驅動功率管的信號，而不是單片機輸出的PWM信號，至于MOS管的驅動方法，這里不討論。
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PWM 信號是和PWM信號互補的，邏輯上互補，而不是電平的互補。
還有默認這兩個信號已經經過了死區控制，不回產生同時導通的問題。
除了第一個圖外，功率管上必須并聯續流二極管，要么是MOS管里自帶的，要么就是BJT再并聯的，或者MOS管并聯肖特基。
其實我們大家平時控制電機用的都是如圖1所示的那種樣子，
這種模式叫受限單極調制，只有加速和調速功能，是沒有剎車功能的，電機速度下降靠負載摩擦，也沒有負力矩。
比如說，設定速度是50%，但是電機因為外力速度達到了60%了，電機也不會減速，只有電機速度超過100%時，電機產生的反電動勢超過了電源電壓，才會產生反向力矩，那個另當別論。
像以前的有刷電動自行車采用的就是這種控制方法，只能加速，不能減速，速度控制也不精確，但是足夠滿足要求了。
其次，我們想要電機實現正反轉，也只不過是用到了圖2和圖4的樣子，
這個雖然是接成了H橋的樣子，但是實際上還是受限單極調制，把圖2的Q4拿掉，Q1變成一個二極管，電路就又變成了圖1的樣子。其他的圖都同理。
單極調制和雙極調制
如果想得到有剎車的功能，
就必須使用一個與PWM信號互補的PWM信號。
這個信號在PWM關斷期間，為電機提供一個續流通道，
相當于開關電源的同步續流吧，也有稱之為同步整流。
按道理，那個二極管也能提供續流通道如圖6中的Q1,
但是用MOS管作為續流通道有2個好處，
第一，導通壓降低，比二極管發熱更少，效率更高，
第二，二極管上不能產生反向電流，而MOS管可以通過反向電流
其實二極管的反向電流對于MOS管來講是正向電流，
電機反電動勢在PWM關斷時間的伏秒數 大于 電源電壓在PWM開通時間加在電機上的伏秒數，小于，那么電機會產生反向電流,使電機產生反向力矩，
因為直流永磁電機的力矩是正比例于電流的，反向電流就會產生反向力矩。視這個電流的大小，電機就能減速或者剎車了。而且電機上的這個反向電流還會在PWM開通時間回饋到電源中去，做到了能量回饋。如果電源是二次電池，那么這是有好處的，如果不是電池的話，會使母線電壓升高，要做一些能量消耗的措施。
說白了，就是你的PWM占空比就能控制電機的轉速，電機的轉速會跟隨的你PWM占空比變化，你的占空比加大，電機就會加速，你的占空比減小，電機就會減速，你減得快，就相當于剎車，如果控制得好，可以做到很迅速但是又很柔和的剎車效果。
但是如果你的占空比突然減到0，就相當于把電機短路了，這是急剎車，會不會損壞要看電機的內阻，功率，慣性，還要看功率管的過載能力。當然還考驗電機的機械強度，因為這種剎車從表面上看，就好像直接用硬物把電機卡住的效果差不多，發出的聲響也是十分巨大的金屬聲。
當然，還有更急的剎車辦法，就是把電機切換到反向運行狀態，但是這種方法是有很大的隱患的，往往會造成器件損壞。
不過話又說回來了，那種受限單極PWM調制方法，只能使用這1種剎車或減速模式，既沒有好的效果，又容易損傷器件。
所以如果需要電機帶剎車的話，盡量使用單極調制或雙極調制，不要使用受限單極調制模式。
一般電動輪椅的電機都是采用這種模式控制的。
再說說雙極模式，
雙極模式，只有H橋一種接法，而且4只管子同時工作。如圖11
斜對角的兩個管子通相同相位的信號，如Q1和Q4,而另外兩只管子用與之互補的信號驅動。在PWM導通器件，電機兩端的驅動電壓是正的，在PWM關斷器件，電機兩端驅動電壓是負的。
當PWM占空比為50%時，電機保持靜止狀態，當PWM占空比大于50%時，電機正轉，當PWM占空比小于50%時，電機反轉。
其實當占空比為50%時，電機并不是靜止的，而是在原地抖動，因為電機上的電流也是一個交流的，這個抖動能有效克服電機的靜摩擦，使電機能快速啟動，迅速反應，適用與需要動態性能好的場合，比如說，光驅里面控制光頭前后移動的電機，直流伺服電機，還有就是現在匠人正做的那個二輪小車驅動車輪的電機也適合用這個方法來驅動。
當然了，單極和雙極調制也可以把4只管子都關斷，使電機自由減速，而不是靠方向力矩來進行減速。
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