PWM直流电机调速器电路解析

我们将学习如何使用比较器IC控制电机速度。与使用555定时器IC的普通电机速度控制器相比，该电路具有优势，即它可以保护MOSFET免受短路。这种速度控制分三个阶段使用两种方法完成：可变开关频率和可变脉宽调制。阶段说明如下：

我们将首先产生必要频率的方波脉冲，即开关频率。

我们将在第二阶段创建所需宽度的PWM脉冲。脉冲宽度将被修改以调节电机开启的时间长度，从而实现变速控制。

最后，我们在第三步中启动电机驱动。

PWM直流电机调速器电路的电路说明

比较器IC ：

比较器IC的介绍、其主要参数及其应用在以下方面进行了说明： 比较器IC |参数和应用。在这个直流电机速度控制器项目中，将使用 LM339 比较器
IC，其中包含四个独立的电压比较器，其中我们在该项目中使用了两个比较器。

如果您需要在较短的响应时间内生成多个振荡信号或同时执行多个比较器操作，LM339
是一个不错的选择。如图1所示，电压比较器确定两个输入电压之间的差值，并简单地输出正或负饱和限值。由于比较器的输出针对饱和度进行了调整，因此与1位ADC非常相似。输出逻辑电平（即+Vcc/-Vcc或+Vsat/-Vsat）由施加在比较器电源轨中的电压决定。

比较器作为方波振荡器

在 LM339 的帮助下，我们可以构建一个频率为几兆赫兹的振荡器。使用最小分量的对称方波发生器如图 1
所示。振荡器的频率由电阻R14和电容C1的RC时间常数决定，其中环路的总滞后由分压电阻R2、R3和正反馈电阻R5设置。最初，振荡器的输出为高电平，然后电容器开始通过负反馈电阻R12充电。电阻R11是一个上拉电阻，用于确保输出电压在高电平状态下一直上升到+Vcc。该电阻器还避免了输出波形中的交越失真。在选择此电阻器时，请记住其值必须非常低。

数学计算涉及频率计算

正输入引脚上的电压

从上图中我们可以看出

R2 = R3 = R5

因此

当电容C1的电压达到V+时，比较器的输出切换到地，即0V。之后，电容器开始放电，直到电容器的电压通过相同的电阻器（即 R12）达到 V+ 的一半，即
（）。之后，比较器的输出切换到+Vcc，因此电容器开始充电。这个过程是连续的。

V+的表达式可以表示为：

重新排列等式

取两边的自然对数

这是电容器C1的充电时间段的表达式。电容器C1的充电时间和放电时间相同。

总时间段是电容器C1的充电时间和放电时间之和。因此

总时间段 = t1 + t2 = 2t1

因此.

频率 。

从图中可以看出，电阻R=330K，电容C=10nF。通过将 RC 的值放在等式 1 中，我们可以计算频率的值

可变脉冲发生器

可变脉冲发生器的电路如图所示。一个100K的可变电阻与一个10K电阻串联。如图所示，这两个串联电阻网络并联到负反馈电阻R12。对于可变脉冲，跳线应短路，对于固定脉冲，跳线应开路。

条件 1：当可变电阻器在最小侧的游标时

总串联电阻 = 10K + 0K = 10K（可变电阻的游标在最小侧）

有效反馈电阻 = 330K ||10 K = 9705.88 .

最大频率

条件 2：当可变电阻器在最大侧的游标

总串联电阻 = 10K + 100K = 110K

有效反馈电阻 = 330K ||110K = 82.5K

最大频率

因此，通过调整可变电阻器，可以实现 870Hz 和 7.4 kHz 之间的任何输出频率。

在这里，在本电路中，我们使用的是可变方波脉冲发生器，如图3所示。直流电机调速器的电路如图4所示。

PWM脉冲触发的速率由我们刚刚计算的工作频率（F）（脉冲上升沿）决定。因此，方波工作频率越大，脉冲产生过程越快，最终影响电机转速。

比较器作为脉宽调制器：

在这里，我们采用 LM339 IC 的第二个电压比较器（即
IC1：A）作为脉宽调制器。使用电阻R10、VR15和R6为IC1：A比较器的同相输入（+）提供可调基准电压（Vref），如图4所示。相反，前一个比较器（IC1：B）的输出被发送到反相输入（-）。脉冲宽度调制方法如下图5所示。Vref
电压范围约为 1.834V 至 10.16V，具体取决于 12V 电源和分压器作用于 IC1：A 的同相输入 （+）。这意味着，如果 Vref 接近
10V，则脉冲宽度接近 50%，如果 Vref 接近 2V，则脉冲宽度接近时间段的 15%。因此，调整 Vref 会导致脉宽调制，进而决定电机速度。

电机切换过程：

IC1：A 比较器的反相输入 （-） 馈送由 IC1：B
生成的所需频率的方波信号。IC1：A的同相输入（+）分配有固定基准电压。如图4所示，IC1：A比较器的输出馈入两个晶体管BC557 （PNP）和BC547
（NPN）的组合中。

因此，每当IC1：A输入之间的电位差（Vd）变为负值时，比较器输出就会变为逻辑低电平，从而激活PNP晶体管，同时关断NPN晶体管。这为MOSFET（即Q1、Q2）提供了足够的栅极电位，从而完善了电机控制的电路路径。当IC1：A输入之间的电位差（Vd）变为正时，比较器输出产生逻辑高电平，激活NPN晶体管，同时关断PNP晶体管。因此，MOSFET（即Q1、Q2）保持关断状态，从而阻止电机导通。这样，就可以用变频和变PWM方法实现直流电机的速度控制。电阻器
R16 和电容器 C5 充当缓冲电路，保护电路免受电机反电动势的影响。LED1 用于电源指示。

PWM直流电机调速电路电源布置：

直流电源在14V和30V之间根据电机电源连接到输入引脚。该电源通过用于控制电路的固定稳压器IC进一步转换为+12V。

PCB图

直流电机调速器的PCB采用Altium设计软件设计。焊料侧和元件侧如下图所示。您可以从下面的链接下载PDF格式的实际尺寸PCB和组件侧PCB。

图 7：焊锡侧 PCB

图 8：焊锡侧 PCB

PWM直流电机调速电路所需元器件

电阻器（除非另有说明，否则均为 1/4 瓦，± 1% 碳）

R1 = 1.8 KΩ

R2、R3、R5 = 68KΩ

R4、R7 = 2KΩ

R6、R10 = 2.7KΩ

R8、R9、R13、R17 = 10KΩ

R11 = 1k

R12 = 330k

VR14 = 100k（电位器）

VR15 = 10K（电位器）

R16 = 15欧姆（5W）

电容器

C1 = 10nF （陶瓷盘）

C2、C3、C4 = 100nF（陶瓷盘）

C5 = 68nF/400V （聚合物薄膜电容器）

C6 = 470uF/50V （电解电容）

C7 = 2200uF/50V （电解电容）

半导体

IC1 = LM339 四通道比较器 IC

IC2 = LM7812（系列固定稳压器）

D1 = 1N1004 （整流二极管）

D2 = BY500 （高功率二极管）

Q1， Q2 = IRFZ44N （MOSFET）

T1 = BC547 （通用NPN晶体管）

T2 = BC557 （通用PNP晶体管）

杂项

LED1 = 任何颜色的 5mm LED

用于稳压器和MOSFET的散热器

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