pwm功能管脚实现电机转速控制

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1、PWM功能管脚实现电机转速控制　　摘要　　在PWM（Pulse-WidthModulation）信号实现D/A（Digital-to-Analog）输出理论分析的基础上，提出一种利用二阶RC低通无源滤波器调制PWM输出信号的直流分量，以实现电机转速控制的方案。通过对方案的验证，证明该方案在外围器件较少的情况下，实现较高精度的D/A转化，能有效降低生产成本，?槌Ъ以谘≡竦缁?控制方案时提供一种新的思路。　　【关键词】D/A低通滤波分辨率PWM　　在控制直流电机转速时，会涉及到DAC（数模转换器）转换技术。功能单一的控制器件内部很少有集成DA转换模块，这些器件用来实现直流电机转速的控

2、制必须借助独立的DAC芯片。对于使用小型直流电机的控制系统，生产成本是关键。周熊等学者提出的基于FPGA的直流电机PWM控制技术，在无需外接D/A转换器和模拟比较器实现控制电机转速，该方案通过仿真实现了电机的控制，但用于现实产品难于对成本进行有效控制。袁梅等学者提出基于PWM的电流输出数模转换电路，该电路能输出较大电流，可以带动较大的负载，但电路设计复杂，成本难以控制。大部分的MCU（微控制器）都提供有PWM（脉冲宽度调制）输出功能，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。文章首先介绍D/A转

3、换理论分析，在此基础上给出了电机控制的软硬件设计方案，通过对直流电机转速的实验测试，证明该方案的可行性。　　1原理分析　　1.1D/A转换原理　　PWM通过对一系列脉冲的宽度进行调制，以等效获得需要的方波信号（含形状和幅值），设PWM的高低电平分别为Vh和Vl，Vl一般情况下都高于0V，则有：　　（1）　　式中T是单片机计数脉冲的基本周期，即单片机每隔T时间记一次数（计数器的值增加或者减少1），N是PWM波一个周期的计数脉冲个数，n是PWM波一个周期中高电平的计数脉冲个数，Vh和Vl分别是PWM波中高低电平的电压值，k为谐波次数，t为时间。把式（1）进行傅里叶变换，得到式（2）：

4、　　（2）　　由式（2）可知，式中第1个方括弧为直流分量就是所需要的D/A输出，只要改变PWM信号的占空比，就能得到电压范围为Vl～VhV的D/A转换输出；第2项为1次谐波分量，第3项为大于1次的高次谐波分量，前面系数代表PWM信号的高频直流分量，频率为PWM信号基频的整数倍。因此，如果对于基频为10kHz的PWM信号，一个理想的频率≤10kHz的滤波器可滤除PWM信号的高频谐波分量，得到低频的直流分量，从而实现PWM信号到D/A输出的转换。　　1.2分辨率　　PWM信号输出经RC低通滤波后实现D/A精度。在PWM输出的直流分量上有纹波电压，纹波电压是由RC滤波电路在一个PWM输

5、出周期电容的充分电形成，是D/A转换误差的主要原因之一。另外影响D/A精度的重要因素取决于PWM信号的分辨率。　　对于确定基频的PWM波形，其分辨率可以有式（3）决定：　　（3）　　式中fosc为单片机振荡频率，fpwm为PWM方波的输出频率。根据式（2）经低通滤波，得到的直流分量为D/A输出值，根据式（2）（3）得到：　　（4）　　从式（4）可以看出，N越大DAC的分辨率越高，但计数脉冲周期也越大，式（2）中的1次谐波周期也变大，相当于1次谐波的频率变低，对于低通滤波器的选择难度将增加，DAC输出的滞后也将增加。在理想情况下，PWM信号的频率降低，得到的直流分量变小，D/A分辨

6、率变高。但是，PWM信号基频的减小，谐波分量的频率也随之降低，有更多的谐波通过相同带宽的低通滤波器，将造成输出直流分量的纹波电压增加，导致D/A分辨率降低。通过上述分析，D/A转换输出的误差，取决于通过低通滤波器的高频分量所产生的纹波和由PWM信号的频率决定的最小输出电压这两个方面。　　2功能实现　　采用模拟低通滤波器滤除PWM输出的高频部分，保留低频的直流分量，即可得到对应的D/A输出，图1所示从PWM输出到得到DAC电压的处理过程，根据处理过程有较多的电路都可实现转换功能。在实际应用中可以通过单片机软件处理方法调整输出精度。　　2.1硬件电路设计方案　　应用低次谐波消去法PW

7、M输出信号经两阶RC低通滤波后得到模拟电压，如图2所示。RC电路作为低通滤波器使用，将信号的高频分量滤除，低频信号部分通过电路。其中C电容在电路中的作用是“隔直通交”，滤除高频分量。　　从图2电路中可以看出，有两个主要因素将影响电路输出的模拟电压。因为PWM高电平的幅值直接收制于单片机工作电压VDD，因此任何VDD的变化都将反映在模拟电压输出端；图中模拟电压输出端即负载衔接处，负载的变化也将使输出的模拟电压幅值发生变化，因此在要求精度高的环境下需要使用有源滤波电路。该方法虽然可以