PWM 驱动电路的结构

第 1 步：线圈和二极管的电路

为了更好地说明 PWM 驱动的原理，如图 1 所示，我们简化了它的电路。

图1

虽然不是电机，直 流电源（12V 电池）与 1 个电阻、1 个线圈、1 个 开关串联在电路上，再将二极管和线圈并联在电 路中（忽略线路电阻和电池内阻）。在这个电路中， 起关键作用的是线圈。这个线圈具有电感L 的特性， 而电感 L 是很重要的。

（1）电池的输出电流

如果使这个电路的高速开关（开通时间与关断 时间相同：占空比为 50%），电源电压为 12V， 这时从电源流出的电流 I S 为图 1所示的矩形波。假设这时的峰值电流是 10A，平均电流就是其一 半——5A。即电池的输出功率为    12V×5A=60W

（2）流过线圈的电流

接下来，看看这个电路中流过线圈的电流 I L 的状况。首先，开关 S 开通时，线圈流过与电源 侧电流 I S 相同大小的电流。开关关断时，来自电 池的电流供给为 0（和 I S 相同）。但是，因为线圈 具有电感，电流的变化（5A → 0A）引起的自感应， 试图继续维系线圈中的电流流动。如果没有二极管 D，线圈中试图维系电流流动 的自感应，会使线圈产生很大的感应电压。因此， 在开关关断瞬间，开关接点之间产生火花（放电 电流通过）。但是，因为这个电路中有二极管， 流过线圈的电流被二极管续流，依然保持相同的 方向继续流动。因此，线圈电流 I L 大多在 10A 左右。从功率 的角度来看，因为施加在线圈上的电压是高速切 换的，电压为 12V 的时间与 0V 的时间相同，平均 下来就相当于 12V 的一半，即 6V。

所以线圈上消 耗的功率为6V×10A=60W 它是与电池输出功率相平衡的（这里忽略损失）。因此，流过线圈的电流就因为电感的特性和 二极管的共同作用，使流过电机的输入电流变为 电源电流的 2 倍。刚 才 我 们 是 以 占 空 比 为 50% 来 考 虑 的。同 样， 当 占 空 比 为 30% 时， 线 圈 的 输 入 电 压 为 12V×30%=3.6V， 线 圈 电 流 为 120W÷3.6V=33.3A。也就是说，流过线圈的电流 超过电源电流的 3 倍。

第 2 步：增加电容器

在第 1 步的基本电路中，电源电流为脉动直 流。因此，需要追加与电池并联的电解电容器（配 置在尽量靠近电池的地方），详细情况如图 2所 示。

图2

这样，在第 1 步的电路中，电流的脉动得到改善， 几乎接近直流。由于追加了电容器，电路中电流 的流动也稍异于第 1 步的电路。

（1）开关 S 开通时

流过线圈的电流为来自电池的电流和来 自电容器的电流，这两个电流合并而成的。

（2）开关 S 关断时

电池的输出电流不为 0，而是流向电容器，为 电容器充电。这与第 1 步的电路中的状况是不同的。因为电容器可以配合开关的通断进行充放电，从而 使来自电池的电流变得平稳，接近于直流。如果来 自电池的电流恒定为 5A，那么，流过电机线圈的 电流就为 10A，这在第 1 步时讲过。如果这时测量 紧紧靠近开关前端的电流，就会发现，其实和第 1 步提过的情况相同，它仍然是 10A → 0A 的阶跃电 流。

第 3 步：实际的电机驱动电路

现在，我们来考察现实中的无刷电机的 PWM 驱动。首先，请看图 3（a）。

图3

无刷电机有 3 相线圈：U 相、V 相、W 相。各相线圈的一端连接于同一点（中 性点），另一端则分别接与电池正极相连的开关 和与电池负极相连的开关。这 6 个开关的通断决 定了各线圈中的电流方向（或者无电流），如图 3 （b）所示。这个电路就叫 H 桥驱动电路。按照表1 所示的规律来切换这些开关的通断状态，电机就 会旋转。

表1

电机的电源电压，不论是从电池获取，还是从经过稳压处理的市电获取，大多数情况下，电 压是固定的。利用固定电压向电机施加任意电压 的方法就是 PWM。如图 1 所示，我们通过高频 将把电压调制成脉冲状。这个脉冲的周期决定了 载波频率。载波频率的高低，因使用场合不同而 变化，如载波频率为 1.6kHz。我们通过 PWM 对真 值表中为“1”的区间进行开关控制。这里的占空 比是由 MOSFET 的切换来调整的。如果占空比下 降，就会出现平均电压下降，电流值增加的情况， 这一点我们在第 1 步也有介绍。实际上，无刷电机的 PWM 驱动可以用图 4 予以说明。

图4

图上表示的是 U 相→ W 相的通电区间。这时，低端（L）导通的 W 相 MOSFET 输出图 1所示的脉冲波形，这就是施加到电机的占空比电 压。这就叫低端 PWM。高端（H）的原理与此相同。在被称为“同步整流”的“互补 PWM”和进 化版的“矢量控制”（正弦波）中，高端和低端 不间断地进行着 PWM 驱动。

（1）高端 PWM 驱动

再仔细地看看 PWM 驱动电路。图 4（a）表示的是从 U 相向 W 相通电的区间。当 PWM 为开 通状态时，来自电源的电流流过图示的路径：电源→ U 相高端 MOSFET → U 相线圈→ W 相 线圈→ W 相低端 MOSFET →电源

（2）PWM 为关断状态时的驱动

PWM 为关断状态时，高端开关全部是关断状 态，因此没有来自电源的电流。MOSFET 中有寄生二极管，所以，U 相→ W 相的电流，可以在通过 U 相寄生二极管返回 U 相 的回路续流，如图4（b）所示。这个寄生二极 管完成了第 1 步和第 2 步中提到的二极管的任务。另外，这个图中省略了电容器，实际上电容器是 与电源并联的。PWM 驱动电路中，电源电流（来自电池的电 流）与电机内部流过的相电流是不同的。相电流（因 为是交流电流）的有效值也很重要。它与各相连 接的电流表测得的平均电流值（交流电的平均值 近似于零）也不同，这一点一定要引起注意。