PWM（脈沖寬度調(diào)制）是一種廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制領(lǐng)域的調(diào)制技術(shù)。它通過調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。在電機(jī)控制中，PWM 信號(hào)經(jīng)過處理后可直接驅(qū)動(dòng)功率管，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的有效控制。下面將詳細(xì)介紹 PWM 控制電機(jī)的幾種模式及其特點(diǎn)。

PWM 控制電機(jī)的模式及特點(diǎn)

1. 雙極模式
   雙極模式下，電樞電壓極性呈正負(fù)交替狀態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)十分顯著，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，啟動(dòng)速度快，調(diào)速精度高，動(dòng)態(tài)性能良好，調(diào)速靜差小，調(diào)速范圍大，還具備加速、減速、剎車、倒轉(zhuǎn)等功能。在負(fù)載超過設(shè)定速度時(shí)，能提供反向力矩，并且可以克服電機(jī)軸承的靜態(tài)摩擦力，實(shí)現(xiàn)非常低的轉(zhuǎn)速。然而，該模式的控制電路較為復(fù)雜，這在一定程度上增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和成本。
2. 單極模式
   單極模式中，電機(jī)電樞驅(qū)動(dòng)電壓極性單一。它具有啟動(dòng)快的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)加速、剎車以及能耗制動(dòng)和能量反饋。雖然其調(diào)速性能稍遜于雙極模式，但差距不大，電機(jī)特性也較為良好。若接成 H 橋模式，同樣可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)，在負(fù)載超速時(shí)也能提供反向力矩。不過，該模式存在一些局限性，剎車時(shí)無法將速度減速到 0，當(dāng)速度接近 0 時(shí)沒有制動(dòng)力，也不能突然倒轉(zhuǎn)，動(dòng)態(tài)性能欠佳，調(diào)速靜差稍大。
3. 受限單極模式
   受限單極模式除了采用單極調(diào)制外，能耗制動(dòng)通路受到限制。其優(yōu)點(diǎn)是控制電路簡單，若接成 H 橋模式也能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。但缺點(diǎn)也較為明顯，不能進(jìn)行剎車和能耗制動(dòng)，在負(fù)載超過設(shè)定速度時(shí)無法提供反向力矩，調(diào)速靜差大，調(diào)速性能差，穩(wěn)定性也不好。

圖 1：受限單極模式相關(guān)圖示

不同模式的應(yīng)用分析

在實(shí)際應(yīng)用中，受限單極調(diào)制模式較為常見，它只有加速和調(diào)速功能，沒有剎車功能，電機(jī)速度下降主要依靠負(fù)載摩擦，也沒有負(fù)力矩。例如，以前的有刷電動(dòng)自行車就采用這種控制方法，雖然速度控制不夠精確，但能滿足基本需求。
若要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，常采用類似圖 2 和圖 4 的接法，雖接成 H 橋樣子，但實(shí)際上還是受限單極調(diào)制。把圖 2 中的 Q4 拿掉，Q1 變成一個(gè)二極管，電路就又變成了圖 1 的樣子。

圖 2：單極調(diào)制與雙極調(diào)制相關(guān)圖示

剎車功能的實(shí)現(xiàn)

若想讓電機(jī)具備剎車功能，必須使用一個(gè)與 PWM 信號(hào)互補(bǔ)的 PWM 信號(hào)。該信號(hào)在 PWM 關(guān)斷期間，為電機(jī)提供一個(gè)續(xù)流通道，類似于開關(guān)電源的同步續(xù)流，也被稱為同步整流。與二極管相比，使用 MOS 管作為續(xù)流通道有兩個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)：一是導(dǎo)通壓降低，發(fā)熱少，效率更高；二是二極管上不能產(chǎn)生反向電流，而 MOS 管可以通過反向電流。當(dāng)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)在 PWM 關(guān)斷時(shí)間的伏秒數(shù)大于電源電壓在 PWM 開通時(shí)間加在電機(jī)上的伏秒數(shù)時(shí)，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生反向電流，從而產(chǎn)生反向力矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的減速或剎車。而且，電機(jī)上的反向電流還會(huì)在 PWM 開通時(shí)間回饋到電源中，實(shí)現(xiàn)能量回饋。不過，如果電源不是二次電池，會(huì)使母線電壓升高，需要采取一些能量消耗的措施。
PWM 的占空比能夠控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，占空比加大，電機(jī)加速；占空比減小，電機(jī)減速；若減得快，就相當(dāng)于剎車，控制得當(dāng)可實(shí)現(xiàn)迅速而柔和的剎車效果。但如果占空比突然減到 0，相當(dāng)于把電機(jī)短路，屬于急剎車，是否損壞電機(jī)取決于電機(jī)的內(nèi)阻、功率、慣性以及功率管的過載能力，同時(shí)也考驗(yàn)電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度。更急的剎車辦法是把電機(jī)切換到反向運(yùn)行狀態(tài)，但這種方法有很大隱患，容易造成器件損壞。因此，如果需要電機(jī)帶剎車功能，應(yīng)盡量使用單極調(diào)制或雙極調(diào)制，避免使用受限單極調(diào)制模式，如一般電動(dòng)輪椅的電機(jī)就采用這種合適的模式控制。

圖 3：雙極模式相關(guān)圖示

雙極模式的特點(diǎn)與應(yīng)用

雙極模式只有 H 橋一種接法，且 4 只管子同時(shí)工作。斜對(duì)角的兩個(gè)管子通相同相位的信號(hào)，另外兩只管子用與之互補(bǔ)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)。在 PWM 導(dǎo)通期間，電機(jī)兩端的驅(qū)動(dòng)電壓為正；在 PWM 關(guān)斷期間，電機(jī)兩端驅(qū)動(dòng)電壓為負(fù)。當(dāng) PWM 占空比為 50% 時(shí)，電機(jī)并非靜止，而是在原地抖動(dòng)，因?yàn)殡姍C(jī)上的電流是交流的，這種抖動(dòng)能有效克服電機(jī)的靜摩擦，使電機(jī)能快速啟動(dòng)，迅速反應(yīng)，適用于需要?jiǎng)討B(tài)性能好的場合，如光驅(qū)里面控制光頭前后移動(dòng)的電機(jī)、直流伺服電機(jī)以及二輪小車驅(qū)動(dòng)車輪的電機(jī)等。
此外，單極和雙極調(diào)制也可以將 4 只管子都關(guān)斷，使電機(jī)自由減速，而不是依靠反向力矩來減速。
綜上所述，PWM 控制電機(jī)在不同模式下具有各自的特點(diǎn)和適用場景。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求合理選擇控制模式，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，PWM 輸出頻率一般為幾千赫茲，可有效抑制電機(jī)的噪聲和震動(dòng)，通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)直流電壓，從而精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。