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2022.05.11 馬達

使用PWM輸出方式驅動有刷直流馬達:
PWM驅動的原理

有刷直流馬達

重點:

・有刷直流馬達的PWM驅動會反覆外加電壓和電流再生動作。

・有刷直流馬達的PWM驅動有多種使用H橋進行電流再生的方法。

從本文開始,將介紹有刷直流馬達的PWM驅動。近年來,直流馬達的PWM驅動方式因可以減少驅動器電源的功耗而應用越來越廣泛。

使用PWM輸出方式驅動有刷直流馬達:PWM驅動的原理

除了用於馬達驅動外,PWM(Pulse Width Modulation=脈衝寬度調變)還廣泛應用於DC/DC轉換器和AC/DC轉換器等電源的功率轉換,並在很多領域得到廣泛使用。原則上,PWM是透過開關脈衝來發送所需功率的一種方法。脈衝的大小和週期是恒定的,透過調整導通時的脈衝寬度(時間)來控制要發送的功率。輸出電壓是對應於導通和脈衝週期的時間比=占空比的平均大小。

下面是有刷直流馬達的PWM驅動原理示意圖。

馬達用馬達符號和電阻R+電感L +感應電壓Ec表示。當外加電壓時,馬達電壓Ea被外加到馬達的兩端,流過馬達電流Ia。而當OFF時,馬達引腳的兩端將短路。在這種狀態下將發生電流再生。由於線圈的電感起到保持電流的作用,因此當在相對於電感L和電阻R的時間常數足夠短的週期內反覆外加電壓並且馬達兩端反覆短路時,將流過恒定電流。

將該過程用H橋表示如下:

外加電壓時,SW1和SW4接通,SW2和SW3關斷,馬達電流Ia的流向如灰色虛線所示。當關斷=馬達兩端短路時,SW2和SW4接通,SW1和SW3斷開。

在這種情況下的電壓波形和電流波形如下:

電壓波形表明,在反覆週期恒定的導通期間外加了馬達電壓Ea,但在關斷(由於馬達兩端短路引起的再生)期間沒有外加馬達電壓Ea。透過反覆執行“導通時增加、關斷時減小的週期”,電流進入穩定狀態。此時的平均電流Iave是透過將外加電壓Ea乘以占空比m並除以電阻R而獲得的值。舉一個簡單的例子,假設Ea = 12V,m為0.5(占空比50%),則為馬達外加了6V電壓。因為僅在外加電壓時才從電源供給電流,所以電源的功耗將減少。

前面透過馬達兩端短路的方法探討了關斷狀態(電流再生)相關的內容。實際上,還有其他電流再生方法,每種方法都有不同的需要考慮的事項。下一篇文章將介紹有刷直流馬達的PWM驅動中其他電流再生方法。

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