PWM如何驱动直流电机：原理与应用
PWM如何驱动直流电机：原理与应用
PWM（脉宽调制）技术在驱动直流电机中扮演着重要角色。本文将从直流电机的工作原理出发，深入探讨PWM控制电机转速的原理、占空比与转速的关系、PWM频率对电机的影响，以及具体的电机驱动模块（以TB6612为例）的使用方法。
直流电机的工作原理
直流电机是一种将电能转化为机械能的设备，电流在电机内部的磁场中产生力矩，推动转子旋转。电机的转速与其接收的电压成正比：电压越高，转速越快。然而，直接调节电压并不方便，于是引入了PWM技术，通过控制电压的平均值来间接调节电机转速。
PWM控制电机转速的原理
PWM通过快速切换高低电平来调节电机获取的平均电压。其核心在于占空比，即高电平持续时间与整个周期的比例：
- 占空比高→ 平均电压大 → 电机转速快
- 占空比低→ 平均电压小 → 电机转速慢
因此，通过控制PWM信号的占空比，可以精准控制电机的转速。
占空比与转速的关系
占空比决定了电机的平均驱动电压，进而影响电机的转速。占空比公式如下：
平均电压=电源电压×占空比\text{平均电压} = \text{电源电压} \times \text{占空比}平均电压=电源电压×占空比
- 高占空比→ 高平均电压 → 转速快
- 低占空比→ 低平均电压 → 转速慢
通过调节占空比的大小，可以更高效、更容易地控制电机的转速，而无需改变电源电压。
PWM频率对电机的影响
除了占空比，PWM信号的频率也会影响电机的性能。频率过低时，电机可能会出现“脉动”现象，甚至发出类似蜂鸣器的噪音。这种电磁噪音是由于电机的振动与电流波动一致，尤其在20Hz到20kHz的可听范围内。
解决办法：
- 提高PWM频率至20kHz以上，超出人耳的可听范围，减少噪音。
- 使用滤波电路来平滑电流波动，降低机械振动。
电机驱动模块详解（以TB6612为例）
在控制直流电机时，通常使用电机驱动模块。以TB6612为例，它能够控制双电机的速度与方向。TB6612模块的关键引脚和功能如下：
- VCC & GND：供电端，VCC接5V或3.3V。
- AIN1 & AIN2：控制电机A的方向，组合不同的高低电平来实现正转、反转和停止。
- BIN1 & BIN2：类似AIN引脚，控制电机B的方向。
- PWM_A & PWM_B：通过输入PWM信号调节电机A和电机B的转速，占空比越高，转速越快。
- STBY：模块的待机引脚，需要接高电平以激活模块。
TB6612内部集成了H桥电路，通过控制电流方向实现电机的正反转与刹车功能。H桥结构使得控制变得简单、高效。
占空比、转速与扭矩的关系
PWM不仅可以调节电机的转速，还影响着电机的扭矩。占空比越高，电机获得的电流越多，输出的扭矩也越大。扭矩决定了电机能否推动更大的负载，尤其在重载情况下，高占空比有助于保持足够的扭矩。
总结
PWM技术通过调节占空比来控制直流电机的转速和扭矩，占空比越高，转速和扭矩越大。同时，PWM频率的选择也非常关键，频率过低会导致电机出现振动和噪音，通过提高频率或使用滤波电路可以有效改善这一问题。电机驱动模块如TB6612大大简化了电机的控制，通过H桥电路实现方向和速度的调节。