[提要] PWM 驱动十分常见，但由于其间歇供电的方式，导致电机实际的工作电流不易测量，本文将一系列测试数据公示，以期有助于同学们在制作机器人时的电机控制优化。

一、背景

作为直流电机的调速方式，PWM 驱动基本是不二的选择，特别是单片机日益普及的今天。

但是，在PWM波的驱动下，直流电机的工况如何呢？我们应该怎样使其工作的更可靠、更平稳、效率更高？

前面曾撰文讨论了 PWM 频率的问题8807530032093.pdf，至今还没有得到满意的答案。

这次是由于增加电机过流保护功能，在调试时看到电流与PWM值的关系，感觉值得记录下来，为各位搞机器人小车的同学们提供分析的素材，以使你们在日后制作中可以逐步优化控制方案，并从中学到相应的知识。

本次我不做分析，只是将测试结果及相关参数公示，结论由你们自己分析获得，如果愿意，最好能与大家分享，期待着！

二、测试方法及数据

测试基于圆梦小车的控制电路和电流检测电路；PWM 控制方式为目前的小车 Step-6 程序，频率为 125Hz；控制对象为圆梦小车底盘和RP5 履带底盘。

为了全面反映电机在不同PWM下的工况，在程序中临时增加了测速，测量方式为：

记录每秒的码盘脉冲数，取最近 4 秒的平均值，换算为电机的转速 —— 转/分。

因为使用示波器测试，小车不能行走，所以只好架空，负载仅为减速机构的阻力。

PWM的周期为 8ms，按 1ms 递增，因为 1ms 时小车电机转不起来，所以从 2ms开始，测 7 点。

测试记录内容为：
A. 电机驱动电压波形（电机正转的MOS管1、2连接点对地电压）
B. 电流采样波形（放大后的电流取样电压）
C. 电机转速（从码盘采样值换算到电机转速，乘减速比得到）

小车底盘的电流采样取样电阻 0.22欧，放大倍数 16倍。
RP5履带底盘电流采样取样电阻 0.22欧，放大倍数 7.8倍。

取样电路如下：

电流信号放大电路如下：

放大电路中的CL4是为了消除毛刺，增加AD的可靠性而设计的。下图为电流检测电路中有无2200p（CL4）电容的比较，可以看出，电容对上升、下降沿有影响，为真实反映电机的电流变化，测试时将电容去除。

以下为小车底盘的测试数据：
1、 PWM 62（对应 2ms）

2、 PWM 94（对应 3ms）

3、 PWM 125（对应4ms）

4、 PWM 156（对应 5ms）

5、 PWM 188（对应 6ms）

6、 PWM 219（对应 7ms）

7、 PWM 250（对应 8ms）

从电流波形中可以大致计算出电流，如最后一幅图中，放大后的电流取样电压约为0.8V，按如下计算：
0.8 / 16 / 0.22 = 0.227 A

这是PWM 为 250 时的电流，PWM 为62时图中电压约为 2.2V， 电流为：
2.2 / 16 / 0.22 = 0.625 A

此值已接近 N20 电机的堵转电流了，从转速上应该可以看出。


以下为RP5履带底盘的测试数据：
1、 PWM 62（对应 2ms）

2、 PWM 94（对应 3ms）

3、 PWM 125（对应4ms）

4、 PWM 156（对应 5ms）

5、 PWM 188（对应 6ms）

6、 PWM 219（对应 7ms）

7、 PWM 250（对应 8ms）

RP5的电流似乎有些波动，不知是否与它的电机上串联了 2 个电感有关，见下图：

RP5 履带底盘的电机电流大致如下：
PWM 250 时，其电压约为 0.4V（大致取平均）：
0.4 / 7.8 / 0.22 = 0.233 A

PWM 62 时，其电压约为 1.6V（取稳定后的值）：
1.6 / 7.8 / o.22 = 0.932 A

三、结语

从上述两组波形，不知道同学们能得到些什么结论？

至少有一点可以知道：
PWM 值越小，H桥的驱动电流越大，所以在测试时要注意因此而损坏MOS管！
可以分析一下最大电流和平均电流对驱动管的影响分别是什么？


此外建议关注以下指标：
A. 电机电流的上升沿时间（此值是否与PWM的频率相关？）
B. 电机电压前沿如何？与电流上升沿的关系？
C. PWM驱动无效期间电机电压的变化趋势？与电流的关系？
D. RP5履带底盘的PWM驱动无效期间电机电压为何有那样的波形？
E. PWM驱动无效期间电机电压产生的机理？
F. 电机电流信号上的毛刺产生原因？
G. 转速与PWM值之间的关系变化？
H. 如果负载加大，波形会如何变化？

期待着大家参与，能将直流电机的驱动做到“知其然，知其所以然”。

南京嵌入之梦工作室
2009年5月8日星期五

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