脈寬調(diào)制(PWM)直流電動(dòng)機(jī)控制器

脈寬調(diào)制的全稱為：Pulse Width Modulator，簡(jiǎn)稱PWM。由于它的特殊性能，常被用作直流回路中燈具調(diào)光或直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。這里將要介紹的就是利用脈寬調(diào)制(PWM)原理制作的馬達(dá)控制器(見圖1)。有關(guān)電路已經(jīng)在汽車儀表照明、車燈照明調(diào)光和計(jì)算機(jī)電源散熱風(fēng)扇方面得到應(yīng)用。該裝置可用于12v或24v直流電路中，兩者間只需稍做變動(dòng)。它主要是通過改變輸出方波的占空比，使得負(fù)載上的平均接通時(shí)間從0-100％變化，以達(dá)到調(diào)整負(fù)載亮度/速度的目的。

技術(shù)指標(biāo)：PWM頻率400Hz；PWM功率消耗1.5mA(12V電源、無負(fù)載和LED)；輸出容量3A(采用IRF521 FET)；工作電壓12V或24V。

一、PWM簡(jiǎn)介

利用脈寬調(diào)制(PWM)方式實(shí)現(xiàn)調(diào)光/調(diào)速的好處是電源的能量能得到充分利用，電路的效率高。例如：當(dāng)輸出為50％的方波時(shí)，脈寬調(diào)制(PWM)電路消耗的電源能量也為50％，即幾乎所有的能量都轉(zhuǎn)換為負(fù)載功率輸出。而采用常見的電阻降壓調(diào)速時(shí)，要使負(fù)載獲得電源最大輸出功率50％的功率，電源必須提供71％以上的輸出功率，這其中21％消耗在電阻的壓降及熱耗上。有時(shí)電路的轉(zhuǎn)換效率是非常重要的。

此外，采用脈寬調(diào)制(PWM)方式可以使負(fù)載在工作時(shí)得到滿電源電壓，這樣有利于克服電機(jī)內(nèi)在的線圈電阻而使電機(jī)產(chǎn)生更大的力矩。

當(dāng)然，采用脈寬調(diào)制(PWM)方式實(shí)現(xiàn)調(diào)光/調(diào)速也有一些不利方面，如電路構(gòu)成會(huì)稍許復(fù)雜，而且有可能會(huì)產(chǎn)生一些射頻干擾(RFI)，要避免這個(gè)問題，在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮負(fù)載與控制器盡可能放在一起，以免它們之間的連線過長(zhǎng)，必要時(shí)還可以考慮在電源處增加濾波器等方法。

二、工作原理

電路原理見圖1。它主要由U1（LM324）和Q1組成。



圖1中，由U1a、U1d組成振蕩器電路，提供頻率約為400Hz的方波/三角形波。U1c產(chǎn)生6V的參考電壓作為振蕩器電路的虛擬地。這是為了振蕩器電路能在單電源情況下也能工作而不需要用正負(fù)雙電源。U1b這里接成比較器的形式，它的反相輸入端(6腳)接入電阻R6、R7和VR1，用來提供比較器的參考電壓。這個(gè)電壓與U1d的輸出端(14腳)的三角形波電壓進(jìn)行比較。當(dāng)該波形電壓高于U1b的6腳電壓．U1b的7腳輸出為高電平；反之，當(dāng)該波形電壓低于U1b的6腳電壓，U1b的7腳輸出為低電平。由此我們可知，改變U1b的6腳電位使其與輸入三角形波電壓進(jìn)行比較。就可增加或減小輸出方波的寬度，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM)。電阻R6、R7用于控制VR1的結(jié)束點(diǎn)，保證在調(diào)節(jié)VR1時(shí)可以實(shí)現(xiàn)輸出為全開(全速或全亮)或全關(guān)(停轉(zhuǎn)或全滅)，其實(shí)際的阻值可能會(huì)根據(jù)實(shí)際電路不同有所改變。

圖1中，Q1為N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，這里用作功率開關(guān)管(電流放大)，來驅(qū)動(dòng)負(fù)載部分。前面電路提供的不同寬度的方波信號(hào)通過柵極(G)來控制Q1的通斷。LED1的亮度變化可以用來指示電路輸出的脈沖寬度。C3可以改善電路輸出波形和減輕電路的射頻干擾(RFI)。D1是用來防止電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)損壞Q1。

當(dāng)使用24v的電源電壓時(shí)，圖1電路通過U2將24V轉(zhuǎn)換成12V供控制電路使用。而Q1可以直接在21v電源上，對(duì)于Q1來講這與接在12v電源上沒有什么區(qū)別。參考圖1，改變J1、J2的接法可使電路工作在不同電源電壓(12V或24V)下。當(dāng)通過Q1的電流不超過1A時(shí)，Q1可不用散熱器。但如果Q1工作時(shí)電流超過1A時(shí)，需加裝散熱器。如果需要更大的電流（大于3A），可采用IRFZ34N等替換Q1。

三、制作說明

為方便制作，圖2給出了主要器件的外形圖，其他元件可參考圖1選擇，無特殊要求。



圖3為電路板圖，供大家參考。



制作好電路板后，可以開始逐一裝配元件，這里我們用這個(gè)電路來控制一個(gè)直流風(fēng)扇，將裝配好的電路板固定在一個(gè)金屬盒內(nèi)，風(fēng)扇置于金屬盒的頂部。該電路無需調(diào)試即可工作。