可在我和学生们的交流中,发现有不少人被这句话误导了,他们常问我:为何用同样的PWM驱动电机,可速度每次不一样?或者是为何同样 PWM 两个电机转速不一样?
所以,我在此将此问题系统整理一下,供大家参考。
因为在智能小车中,直流有刷电机是主要的动力源,而直流电机改变速度的方式应该是改变供给电机的电压,使供给电机的功率变化,从而改变速度。
但改变电压比较麻烦,所以就产生了利用断续供电的方式改变供给电机的平均功率,同样实现改变速度的目的。因为开关电路比模拟电路控制方便,且效率高,所以基本取代了改变电压的方式。这种断续供电的方式就称为“PWM —— 脉冲宽度调制”。
PWM 改变功率的方式是通过改变占空比,也就是供电时间和断电时间之比,幅值不变。
注:由于 PWM 频率的不同,以及电机感性负载的变化,频率较高时由于电机的积分作用,相当于改变了电压,类似于PWM方式的DA。此处不做深入讨论。
所以,从以上描述看:PWM 应该是调功,而非调速,只能说由于功率变化,有可能改变速度,是改变速度的手段!
何谓调速?就是将转速调整到所需的数值。
按此定义,PWM不能算是调速。
从最基本的运动学考虑:
F – f = ma
F 为驱动力,f 为阻力,只有两者相等,加速度才为零,速度才不会变化。
假设 F 由 PWM 决定,但 f 无法确定,不同的电机、不同的减速箱、 不同的转速都回使 f 变化,所以无法保证每次的 f 相同,那自然同样的 PWM 得不到同样的速度。
此外,从PWM输出的功率分析,因为电机通常电流较大,特别是启动电流很大,一般不用稳压电路,直接使用电池供电。而电池的电压是随电量消耗而变化的,且由于内阻因素,还随着电流变化而变化。所以即便是同样的PWM,由于幅值不同,输出的功率也不相同,产生的驱动力 F 自然不同,这也将导致速度的不同。
最后一点,直流电机的原理决定,在其额定电压下,最快转速就是其空载速度,这个是确定的,当其负载很轻时,略加驱动功率就达到了其最快速度,此时再提高PWM也无法改变速度了,应为PWM的改变不会提升电压,所以当电机负载很轻时,PWM连改变速度的能力也大为减弱。所以,有时为了让PWM改变速度的效果明显些,还刻意增加阻力。
综上所述:
准确的表述应该是:PWM调功!
如果要实现调速,必须使用闭环控制,即通过检测转速与设定值的偏差,改变供给电机的功率,以保证偏差为零,从而实现调速。这样才能消除上述阻力改变带来的影响。
而闭环控制的前提是测速,最简单的是通过电机轴上的码盘或车轮上的码盘检测,但这都需要在结构上增加检测装置。
还可以利用直流电机的原理以及 PWM 调速的特征(断续供电),测量电机在断电时惯性运动产生的电势,计算转速,此方式称为 EMF ,其优点在于不用增加结构上的装置。