PWM信号产生方法

介绍了关于PWM信号的产生的方法及其基本使用

如何确定直流电机驱动的PWM频率

—— 圆梦小车改进中的个人感悟

在“圆梦小车强身健体啦”一文中，提到了新的电机在原来的驱动程序下不能正常工作之事，本文将详述其中原委。

一、问题的来由

此问题在我第一次涉及直流电机驱动时就遇到了，可翻遍所有资料，都没有给我一个完美的答复，因为我一直觉得应该根据电机的特性来选择PWM的频率。

直流小电机的特性差别很大，一般遥控玩具的电机通常为1A以下，这是为了降低驱动电路的成本，通常使用8050、8550就可以驱动。

而遥控模型级别的电机不同，它们的目标是速度，所以电机通常动辄10A，甚至几十安都有，读者可以去搜索一下模型用的电调（电子调速器，也是PWM控制模式），那些指标都是50A、90A、130A等等，第一次我看了都“晕”！看看照片，哪个不是一堆MOS管并联？所以价格也不菲，通常都成百上千。

一般用于工业控制的减速电机则不然，由于有很大的减速比，且电压一般为12V，所以电流通常很小，在几百毫安级别，正常工作只有几十毫安，这是由于他们要求低功耗，增加可靠性。

而电机控制的PWM模式讨论似乎针对第二类的较多。因为PWM控制对于遥控模型的重要程度较高。而遥控玩具一般不调速，H桥只是为了换向。工业控制由于减速后转速已很低，不再迫切需要调速了，直接用通断控制已能满足大多数的要求。

似乎只是由于“机器人比赛”才将小电流直流电机的调速引入。由于比赛机器人的特殊性，产生了一种中间状态的需求：

¾ 它们不像遥控模型那样追求速度，但想要类似于遥控模型的操控特性；

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¾ 它们不满足于遥控玩具那种简单的控制，却要相当于遥控玩具电机那样的电流； ¾ 因为机器人比赛不像赛车，穷其全力一搏，只求瞬间辉煌；它需要有一定时间去做

一些蕴含智慧的活动，而不是四肢发达的“莽汉”，所以要有一定的“耐力”。

二、少而“模糊”的答案

在写“寻迹小车FollowMe”一文时，我找了许多资料，但没有找到一篇可以帮我释疑解惑的。下面就是几篇我所找到的文章摘录：

1）有的这样说：“PWM控制的基本电路与ON/OFF控制相同，电路构成也很简单，施加在电机上的PWM信号一般为几千赫至几十千赫”（摘自《机器人控制电子学》P76 *1）。

2）有的这样说：“PWM控制对频率的要求一般不是太高。从50Hz到1000Hz的频段，电机都可以正常工作。”（摘自《机器人探索 —— 工程实践指南》P129 *2）

3）只有这篇描述的略详细（摘自《机器人设计与控制》P183 *3）

：

此段文字提到了我所关注的问题：电机特性对PWM频率的影响。可是它的结论和建议

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却给我带来了更多的困惑！（看红线所标注的）

读者可以对照一下，这三篇内容就相互“冲突”的厉害，也许读者认为我是断章取义，作者也许在前或后有先决条件，那可以帮我仔细看看原作，但愿能有所发现。

4）我以前文章中推荐过多次的《电动机的单片机控制》一书对直流电机驱动描述的相当详细，可唯独没有阐述如何确定PWM的频率，只是留了一道思考题：

“ 4、PWM频率如何选择？”（摘自书中P149 *4）。 郁闷！是否此问题简单到不用描述了？！

5）还有一本我推荐过的书 ——《直流电动机实际应用技巧》，书中也只是泛泛的说了一下：（摘自书中

P122 *5）

文中所说“脉冲列驱动”就是指PWM；电器时间常数 te 为电机等效电感La与等效电阻Ra之比（摘自书中的描述，P121 *5），至于如何确定这两个值不太清楚。

这段和第三篇中所描述的比较一致。似乎都是说PWM频率越高越好。我在网上还看到有这样的言论：频率越高的PWM调速器档次越高！

正是这些“模糊、混乱”的概念导致我“无所适从”，所以在“寻迹小车FollowMe”中，编写程序时将PWM值和PWM的频率都交给使用者确定，期望读者能摸索出合适的选择，并找出选择的依据。

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但一直没有看到我想要的反馈，自己略作尝试也未能得出清晰的结论，所以在设计圆梦小车时就放弃了PWM频率改变的功能，使用定频方式（7200Hz）。用在当时的130电机上没有发现什么明显不妥，也就不再深究了。

三、问题再次显现

这次减速箱装配好后，我满怀希望的替换下原来的130电机，并且用直流电源先试了一下，感觉不错（详见“圆梦小车强身健体啦”一文）。

立马装上控制部分，发控制命令；本想“秀”一下，用较低的PWM值，因为我认为减速比加大后，力矩应该增加，低PWM值也应能启动。可实际效果让我大失所望，用“走直线”模式测试，基准PWM50启动不了，加到100才勉强能走，到200才算比较流畅。此时，我脑子里立马掠过一个念头：“坏了，几万块钱要打水漂了！”。

冷静一会儿才想起可能是PWM频率的问题。又将上面看过的资料再次研读一番，而且

拆了一个电机测量电阻和电感。但第三篇中的那段话还是让我不得其解：

如果为了满足文中的不等式，PWM频率不是越高越好吗？何来“所允许的最高PWM信号频率”？应该是最低频率才对吧？不知原文是如何描述的。

但按基本的电学常识分析，不可能频率越高越好，因为电机的线圈肯定有电感，且电流越小的电机由于匝数多，电感量会越大。基于电工学常识，电感中的电流不能突变，其感抗与频率成正比。

所以当施加过高频率的电压后，由于感抗作用，可能电流很小。

而电机的力矩产生于磁场作用，而磁场的强弱与电流成正比，所以过小的电流将大大降

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低磁力，从而导致电机“无力”。

这就像十字路口的红绿灯，假设各方向占50%的通行时间，如果所设间隔恰当，就能保证最佳的通行效果，如果一味缩短周期，直到小于汽车的启步时间，即使仍保持50%的比例，那路口也将完全无法通行。这和电机上施加过高频率的电压应该是一样的。

我觉得在新电机上遇到的现象就是这个原因，可遍寻不到依据，只是从LEGO的RCX技术资料上看到：RCX的PWM频率是125Hz！我觉得LEGO的电机和这次选择的电机参数类似，所以下决心修改PWM

频率。

上图为网页截图，注意红线所标信息以及图示，说明小于1000Hz的PWM频率还是可以使用的。

四、实施

好在STC12LE5412AD所提供的PCA比较灵活，程序只需略作修改即实现了。 原来PWM信号是使用PCA的PWM模式产生的，好处是不需要软件干预，只要向相应的寄存器中赋值即可；缺点是频率变化较单一，靠改变PCA计数器的信号分频，只有两种选择 —— Fosc/12或者Fosc/2 。 对应MCU振荡器频率22.1184MHz，只有两个PWM

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频率可选：43200Hz和7200Hz。

由于此次是需要降低频率，所以可以用软件干预方式实现，即：

使用PCA的比较器模式，允许匹配中断，在中断中产生PWM信号，通过不断加载新的比较值控制PWM的频率。PCA

初始化如下：

按此模式，只要PWM信号的周期不大于：

1/（22.1184MHz/12） * 65536 = 3.5ms ，即频率不低于 28Hz 都可以实现。 中 …… 此处隐藏：2607字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……