PWM功能管腳實現電機轉速控制

摘 要

在PWM（Pulse-Width Modulation）信號實現D/A（Digital-to-Analog）輸出理論分析的基礎上，提出一種利用二階RC低通無源濾波器調制PWM輸出信號的直流分量，以實現電機轉速控制的方案。通過對方案的驗證，證明該方案在外圍器件較少的情況下，實現較高精度的D/A轉化，能有效降低生產成本，為廠家在選擇電機控制方案時提供一種新的思路。

【關鍵詞】D/A 低通濾波 分辨率 PWM

在控制直流電機轉速時，會涉及到DAC（數模轉換器）轉換技術。功能單一的控制器件內部很少有集成DA轉換模塊，這些器件用來實現直流電機轉速的控制必須借助獨立的DAC芯片。對于使用小型直流電機的控制系統，生產成本是關鍵。周熊等學者提出的基于FPGA的直流電機PWM控制技術，在無需外接D/A轉換器和模擬比較器實現控制電機轉速，該方案通過仿真實現了電機的控制，但用于現實產品難于對成本進行有效控制。袁梅等學者提出基于PWM的電流輸出數模轉換電路，該電路能輸出較大電流，可以帶動較大的負載，但電路設計復雜，成本難以控制。大部分的MCU（微控制器）都提供有PWM（脈沖寬度調制）輸出功能，PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。文章首先介紹D/A轉換理論分析，在此基礎上給出了電機控制的軟硬件設計方案，通過對直流電機轉速的實驗測試，證明該方案的可行性。

1 原理分析

1.1 D/A轉換原理

PWM通過對一系列脈沖的寬度進行調制，以等效獲得需要的方波信號（含形狀和幅值），設PWM的高低電平分別為Vh和Vl，Vl一般情況下都高于0V，則有：

（1）

式中T是單片機計數脈沖的基本周期，即單片機每隔T時間記一次數（計數器的值增加或者減少1），N是PWM波一個周期的計數脈沖個數，n是PWM波一個周期中高電平的計數脈沖個數，Vh和Vl分別是PWM波中高低電平的電壓值，k為諧波次數，t為時間。把式（1）進行傅里葉變換，得到式（2）：

（2）

由式（2）可知，式中第1個方括弧為直流分量就是所需要的D/A輸出，只要改變PWM信號的占空比，就能得到電壓范圍為Vl～VhV的D/A轉換輸出；第2項為1次諧波分量，第3項為大于1次的高次諧波分量，前面系數代表PWM信號的高頻直流分量，頻率為PWM信號基頻的整數倍。因此，如果對于基頻為10kHz的PWM信號，一個理想的頻率≤10kHz的濾波器可濾除PWM信號的高頻諧波分量，得到低頻的直流分量，從而實現PWM信號到D/A輸出的轉換。

1.2 分辨率

PWM信號輸出經RC低通濾波后實現D/A精度。在PWM輸出的直流分量上有紋波電壓，紋波電壓是由RC濾波電路在一個PWM輸出周期電容的充分電形成，是D/A轉換誤差的主要原因之一。另外影響D/A精度的重要因素取決于PWM信號的分辨率。

對于確定基頻的PWM波形，其分辨率可以有式（3）決定：

（3）

式中fosc為單片機振蕩頻率，fpwm為PWM方波的輸出頻率。根據式（2）經低通濾波，得到的直流分量為D/A輸出值，根據式（2）（3）得到：

（4）

從式（4）可以看出，N越大DAC的分辨率越高，但計數脈沖周期也越大，式（2）中的1次諧波周期也變大，相當于1次諧波的頻率變低，對于低通濾波器的選擇難度將增加，DAC輸出的滯后也將增加。在理想情況下，PWM信號的頻率降低，得到的直流分量變小，D/A分辨率變高。但是，PWM信號基頻的減小，諧波分量的頻率也隨之降低，有更多的諧波通過相同帶寬的低通濾波器，將造成輸出直流分量的紋波電壓增加，導致D/A分辨率降低。通過上述分析，D/A轉換輸出的誤差，取決于通過低通濾波器的高頻分量所產生的紋波和由PWM信號的頻率決定的最小輸出電壓這兩個方面。

2 功能實現

采用模擬低通濾波器濾除PWM輸出的高頻部分，保留低頻的直流分量，即可得到對應的D/A輸出，圖1所示從PWM輸出到得到DAC電壓的處理過程，根據處理過程有較多的電路都可實現轉換功能。在實際應用中可以通過單片機軟件處理方法調整輸出精度。

2.1 硬件電路設計方案

應用低次諧波消去法PWM輸出信號經兩階RC低通濾波后得到模擬電壓，如圖2所示。RC電路作為低通濾波器使用，將信號的高頻分量濾除，低頻信號部分通過電路。其中C電容在電路中的作用是“隔直通交”，濾除高頻分量。

從圖2電路中可以看出，有兩個主要因素將影響電路輸出的模擬電壓。因為PWM高電平的幅值直接收制于單片機工作電壓VDD，因此任何VDD的變化都將反映在模擬電壓輸出端；圖中模擬電壓輸出端即負載銜接處，負載的變化也將使輸出的模擬電壓幅值發生變化，因此在要求精度高的環境下需要使用有源濾波電路。該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波，但是，剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會變大，而且同樣存在計算復雜的缺點。

2.2 系統軟件結構設計

系統通過軟件方式控制PWM寄存器以調整PWM輸出占空比，從而控制電機轉速。PWM信號處理的實現流程如圖3所示，以三星芯片（S3f9454）為例，該MCU自帶PWM功能。PWM信號輸出不通過中斷設置，而是利用主程序不間斷的掃描，通過標志位進行判斷是否執行PWM輸出功能，如果執行PWM輸出功能，則查詢相應的占空比數值表，并將查到的數值暫存寄存器內，并通過MCU管腳輸出控制信號，根據占空比數值控制電機轉速，同時恢復PWM寄存器標志。

3 實驗結果

圖2方案中使用二階RC低通無源濾波器，輸出為直流分量，根據式（2）的直流分量可知，DAC輸出電壓為（5*n/N）V，實際電壓在0～5V之間。由于無源濾波器的負載能力差，信號經過二階無源濾波網絡衰減嚴重，在電機控制部分配置一級功率放大電路，以增加輸出阻抗。經實驗測試，PWM輸出占空比和電機轉速成正比，如表1所示。從表1中可看出，PWM占空比越大，即在PWM周期內輸出高電平分量增大，經低通濾波后輸出的電壓越大，電機轉速相應增加。

4 結束語

文章在D/A轉換理論描述的基礎上，得出D/A轉換輸出的誤差，可能取決于通過低通濾波器的高頻分量所產生的紋波和由PWM信號的頻率決定的最小輸出電壓這兩個方面。針對于電機轉速控制給出了軟硬件設計方案，因二階RC低通無源濾波器負載能力較差，在電機控制部分需添加一級功率放大電路，以增加輸出阻抗。通過對方案的驗證，證明該方案在外圍器件較少的情況下，實現了較高精度的D/A轉化，降低了生產成本，為廠家在選擇電機控制方案提供一種有效的思路。該方案實施的缺點是輸出的模擬電壓噪聲比獨立DAC芯片高，方案適用于一些不需要精密電壓輸出的場合。

參考文獻

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[2]袁梅，田宏達，董韻鵬等.基于PWM的電流輸出數模轉換電路[J].儀表技術與傳感器，2011（07）：91-93.

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作者簡介

王利紅（1981-），女，浙江省諸暨市人。現為紹興技師學院（籌）高級技師。研究方向為電子技術。

作者單位

紹興技師學院（籌） 浙江省紹興市 312000