直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的PWM波頻率確定-個(gè)人感悟

如何確定直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的 PWM 頻率
—— 圓夢(mèng)小車(chē)改進(jìn)中的個(gè)人感悟
在“圓夢(mèng)小車(chē)強(qiáng)身健體啦”一文中，提到了新的電機(jī)在原來(lái)的驅(qū)動(dòng)程序下不能正常工作
之事，本文將詳述其中原委。
一、問(wèn)題的來(lái)由
此問(wèn)題在我第一次涉及直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)就遇到了，可翻遍所有資料，都沒(méi)有給我一個(gè)完
美的答復(fù)，因?yàn)槲乙恢庇X(jué)得應(yīng)該根據(jù)電機(jī)的特性來(lái)選擇 PWM 的頻率。
直流小電機(jī)的特性差別很大，一般遙控玩具的電機(jī)通常為 1A 以下，這是為了降低驅(qū)動(dòng)
電路的成本，通常使用 8050、8550 就可以驅(qū)動(dòng)。
而遙控模型級(jí)別的電機(jī)不同，它們的目標(biāo)是速度，所以電機(jī)通常動(dòng)輒 10A，甚至幾十安
都有，讀者可以去搜索一下模型用的電調(diào)（電子調(diào)速器，也是 PWM 控制模式），那些指標(biāo)都
是 50A、90A、130A 等等，第一次我看了都“暈”！看看照片，哪個(gè)不是一堆 MOS 管并聯(lián)？
所以價(jià)格也不菲，通常都成百上千。
一般用于工業(yè)控制的減速電機(jī)則不然，由于有很大的減速比，且電壓一般為 12V，所以
電流通常很小，在幾百毫安級(jí)別，正常工作只有幾十毫安，這是由于他們要求低功耗，增加
可靠性。
而電機(jī)控制的 PWM 模式討論似乎針對(duì)第二類的較多。因?yàn)?PWM 控制對(duì)于遙控模型的
重要程度較高。而遙控玩具一般不調(diào)速，H 橋只是為了換向。工業(yè)控制由于減速后轉(zhuǎn)速已很
低，不再迫切需要調(diào)速了，直接用通斷控制已能滿足大多數(shù)的要求。
似乎只是由于“機(jī)器人比賽”才將小電流直流電機(jī)的調(diào)速引入。由于比賽機(jī)器人的特殊
性，產(chǎn)生了一種中間狀態(tài)的需求：
¾ 它們不像遙控模型那樣追求速度，但想要類似于遙控模型的操控特性；
¾ 它們不滿足于遙控玩具那種簡(jiǎn)單的控制，卻要相當(dāng)于遙控玩具電機(jī)那樣的電流；
¾ 因?yàn)闄C(jī)器人比賽不像賽車(chē)，窮其全力一搏，只求瞬間輝煌；它需要有一定時(shí)間去做
一些蘊(yùn)含智慧的活動(dòng)，而不是四肢發(fā)達(dá)的“莽漢”，所以要有一定的“耐力”。
二、少而“模糊”的答案
在寫(xiě)“尋跡小車(chē) FollowMe”一文時(shí)，我找了許多資料，但沒(méi)有找到一篇可以幫我釋疑
解惑的。下面就是幾篇我所找到的文章摘錄：
1）有的這樣說(shuō)：“PWM 控制的基本電路與 ON/OFF 控制相同，電路構(gòu)成也很簡(jiǎn)單，施
加在電機(jī)上的 PWM 信號(hào)一般為幾千赫至幾十千赫”（摘自《機(jī)器人控制電子學(xué)》P76 *1）。
2）有的這樣說(shuō)：“PWM 控制對(duì)頻率的要求一般不是太高。從 50Hz 到 1000Hz 的頻段，
電機(jī)都可以正常工作�！保ㄕ�自《機(jī)器人探索 —— 工程實(shí)踐指南》P129 *2）
3）只有這篇描述的略詳細(xì)（摘自《機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制》P183 *3）：
此段文字提到了我所關(guān)注的問(wèn)題： 電機(jī)特性對(duì) PWM 頻率的影響�？墒撬�的結(jié)論和建議
卻給我?guī)��?lái)了更多的困惑�。�看紅線所標(biāo)注的）
讀者可以對(duì)照一下，這三篇內(nèi)容就相互“沖突”的厲害，也許讀者認(rèn)為我是斷章取義，
作者也許在前或后有先決條件，那可以幫我仔細(xì)看看原作，但愿能有所發(fā)現(xiàn)。
4）我以前文章中推薦過(guò)多次的《電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制》一書(shū)對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)描述的相
當(dāng)詳細(xì)，可唯獨(dú)沒(méi)有闡述如何確定 PWM 的頻率，只是留了一道思考題：
“4、PWM 頻率如何選擇？ ”（摘自書(shū)中 P149 *4）。
郁悶！是否此問(wèn)題簡(jiǎn)單到不用描述了？！
5）還有一本我推薦過(guò)的書(shū) ——《直流電動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用技巧》，書(shū)中也只是泛泛的說(shuō)了
一下：（摘自書(shū)中 P122 *5）
文中所說(shuō)“脈沖列驅(qū)動(dòng)”就是指 PWM； 電器時(shí)間常數(shù) te 為電機(jī)等效電感 La 與等效電
阻 Ra 之比（摘自書(shū)中的描述，P121 *5），至于如何確定這兩個(gè)值不太清楚。
這段和第三篇中所描述的比較一致。似乎都是說(shuō) PWM 頻率越高越好。我在網(wǎng)上還看到
有這樣的言論： 頻率越高的 PWM 調(diào)速器檔次越高！
正是這些“模糊、混亂”的概念導(dǎo)致我“無(wú)所適從”，所以在“尋跡小車(chē) FollowMe”中，
編寫(xiě)程序時(shí)將 PWM 值和 PWM 的頻率都交給使用者確定，期望讀者能摸索出合適的選擇，
并找出選擇的依據(jù)。

但一直沒(méi)有看到我想要的反饋，自己略作嘗試也未能得出清晰的結(jié)論，所以在設(shè)計(jì)圓夢(mèng)
小車(chē)時(shí)就放棄了 PWM 頻率改變的功能，使用定頻方式（7200Hz）。用在當(dāng)時(shí)的 130 電機(jī)上
沒(méi)有發(fā)現(xiàn)什么明顯不妥，也就不再深究了。
三、問(wèn)題再次顯現(xiàn)
這次減速箱裝配好后，我滿懷希望的替換下原來(lái)的 130 電機(jī)，并且用直流電源先試了一
下，感覺(jué)不錯(cuò)（詳見(jiàn)“圓夢(mèng)小車(chē)強(qiáng)身健體啦”一文）。
立馬裝上控制部分，發(fā)控制命令；本想“秀”一下，用較低的 PWM 值，因?yàn)槲艺J(rèn)為減
速比加大后，力矩應(yīng)該增加，低 PWM 值也應(yīng)能啟動(dòng)。可實(shí)際效果讓我大失所望，用“走直
線”模式測(cè)試，基準(zhǔn) PWM50 啟動(dòng)不了，加到 100 才勉強(qiáng)能走，到 200 才算比較流暢。此時(shí)，
我腦子里立馬掠過(guò)一個(gè)念頭：“壞了，幾萬(wàn)塊錢(qián)要打水漂了！”。
冷靜一會(huì)兒才想起可能是 PWM 頻率的問(wèn)題。又將上面看過(guò)的資料再次研讀一番，而且
拆了一個(gè)電機(jī)測(cè)量電阻和電感。但第三篇中的那段話還是讓我不得其解：
如果為了滿足文中的不等式，PWM 頻率不是越高越好嗎？何來(lái)“所允許的最高 PWM
信號(hào)頻率”？應(yīng)該是最低頻率才對(duì)吧？不知原文是如何描述的。
但按基本的電學(xué)常識(shí)分析，不可能頻率越高越好，因?yàn)殡姍C(jī)的線圈肯定有電感，且電流
越小的電機(jī)由于匝數(shù)多，電感量會(huì)越大�；�于電工學(xué)常識(shí)，電感中的電流不能突變，其感抗
與頻率成正比。
所以當(dāng)施加過(guò)高頻率的電壓后，由于感抗作用，可能電流很小。
而電機(jī)的力矩產(chǎn)生于磁場(chǎng)作用，而磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與電流成正比，所以過(guò)小的電流將大大降
低磁力，從而導(dǎo)致電機(jī)“無(wú)力”。
這就像十字路口的紅綠燈，假設(shè)各方向占 50%的通行時(shí)間，如果所設(shè)間隔恰當(dāng)，就能保
證最佳的通行效果，如果一味縮短周期，直到小于汽車(chē)的啟步時(shí)間，即使仍保持 50%的比例，
那路口也將完全無(wú)法通行。這和電機(jī)上施加過(guò)高頻率的電壓應(yīng)該是一樣的。
我覺(jué)得在新電機(jī)上遇到的現(xiàn)象就是這個(gè)原因，可遍尋不到依據(jù)，只是從 LEGO 的 RCX
技術(shù)資料上看到： RCX 的 PWM 頻率是 125Hz！我覺(jué)得 LEGO 的電機(jī)和這次選擇的電機(jī)參數(shù)
類似，所以下決心修改 PWM 頻率。
上圖為網(wǎng)頁(yè)截圖，注意紅線所標(biāo)信息以及圖示，說(shuō)明小于 1000Hz 的 PWM 頻率還是可
以使用的。
四、實(shí)施
好在 STC12LE5412AD 所提供的 PCA 比較靈活，程序只需略作修改即實(shí)現(xiàn)了。
原來(lái) PWM 信號(hào)是使用 PCA 的 PWM 模式產(chǎn)生的，好處是不需要軟件干預(yù)，只要向相
應(yīng)的寄存器中賦值即可；缺點(diǎn)是頻率變化較單一，靠改變 PCA 計(jì)數(shù)器的信號(hào)分頻，只有兩種
選擇 —— Fosc/12 或者 Fosc/2 。 對(duì)應(yīng) MCU 振蕩器頻率 22.1184MHz，只有兩個(gè) PWM
頻率可選：43200Hz 和 7200Hz。
由于此次是需要降低頻率，所以可以用軟件干預(yù)方式實(shí)現(xiàn)，即：
使用 PCA 的比較器模式，允許匹配中斷，在中斷中產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，通過(guò)不斷加載新
的比較值控制 PWM 的頻率。PCA 初始化如下：
按此模式，只要 PWM 信號(hào)的周期不大于：
1/（22.1184MHz/12） * 65536 = 3.5ms ，即頻率不低于 28Hz 都可以實(shí)現(xiàn)。
中斷中產(chǎn)生 PWM 信號(hào)的處理如下：
以上為一個(gè)電機(jī)的處理，另一個(gè)電機(jī)完全相同。
變量 g_uiMotorLTime[2] 用于存放 PWM 信號(hào)的高低電平時(shí)間，兩個(gè)單元之和為 PWM
的周期。
變量 g_uiMotorLTimeCmp 是高低電平時(shí)間的累計(jì)值，作為 PCA 通道的比較值，通過(guò)
其控制 PCA 的中斷。
程序中作了一些防護(hù)，主要是占空比低于一定值后輸出恒為“0”，高于一定值后輸出恒
為“1”。具體可看所附程序（查找“0805”即可找到所有為此修改的地方）。
以下為設(shè)置的常量，通過(guò)修改這些值，可方便的改變 PWM 頻率和限定值：
讀者可修改上述參數(shù)方便地實(shí)現(xiàn)不同的 PWM 頻率，觀察對(duì)電機(jī)特性的影響。
五、效果
以下所做測(cè)量只是兩個(gè) PWM 頻率的對(duì)比：7200Hz vs 125Hz。
為了方便測(cè)量，在原來(lái)的 PC 機(jī)控制界面增加了一個(gè)定時(shí)輸出功能，可以設(shè)定小車(chē)的運(yùn)
行時(shí)間，利用 PC 定時(shí)期到時(shí)發(fā)出停止命令。界面如下：
之所以選用直接的 PWM 輸出而不用原來(lái)的走直線功能，是因?yàn)樽咧本�程序中小車(chē)會(huì)根
據(jù)偏移不斷改變 PWM 值，這樣的結(jié)果就不真實(shí)了。
由于電機(jī)的差異，所以左右電機(jī)的 PWM 值略有不同，以使小車(chē)走的接近直線。

測(cè)試結(jié)果如下：

PWM 頻率 ：125Hz	PWM 頻率：7200Hz
左 PWM	右 PWM	距離 cm	時(shí)間 秒	速度 cm/s	左 PWM	右 PWM	距離 cm	時(shí)間 秒	cm/s 速度
250	235	174	4	43.5	250	235	174	4	43.5
208	195	164	4	41	205	195	140	4	35
160	140	172	5	34.4	157	143	120	5	24
110	90	151	6	25.1	108	93	86	6	14.3
77	60	150	10	15	77	67	75	10	7.5
注：小車(chē)程序中 PWM 值 250 為 100%！

從上表中可以看出，在 PWM 值比價(jià)大的時(shí)候，兩個(gè)頻率的速度差別不大；隨著 PWM
值降低，速度差明顯變大，我認(rèn)為是前述原因所致，因?yàn)殡S著 PWM 值降低，有效驅(qū)動(dòng)脈沖
寬度逐漸縮小，導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法得到有效的能量，所以其出力自然不足。
可以肯定，125Hz 不是最佳頻率，只能說(shuō)比 7200Hz 好，什么頻率更好？如何確定之？
有待讀者共同探討。
——————————
收筆于：2008 年 6 月 20 日星期五
參考資料：
1、《機(jī)器人控制電子學(xué)》 科學(xué)出版社 ISBN7-03-013168-1
2、《機(jī)器人探索——工程實(shí)踐指南》 電子工業(yè)出版社 ISBN7-5053-9911-X
3、《機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制》 科學(xué)出版社 ISBN5-03-012843-5
4、《電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制》北京航空航天大學(xué)出版社 ISBN 7-81077-175-2
5、《直流電動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用技巧》 科學(xué)出版社 ISBN 7-03-017498-4
6、Lego RCX 電機(jī) PWM 信息

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寫(xiě)的不錯(cuò)，，，

加油，，向你學(xué)習(xí)

今天碰到這個(gè)問(wèn)題了。   

分析的夠深入

謝謝，正在找這個(gè)資料

學(xué)習(xí)到了Thanks♪(･ω･)ﾉ

學(xué)到了，謝謝!

學(xué)習(xí)一下，碼了那么多字，支持樓主。

學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)

分析的很有條理，給了我思路~

寫(xiě)的真的不錯(cuò)

分析的很有條理

條理清析，結(jié)果明確。