一、PWM 驱动技术基础知识

1. 什么是 PWM？

PWM（Pulse Width Modulation）是一种通过控制脉冲信号占空比（Duty Cycle）来调节平均电压或电流的控制方式。在一定的频率下，通过改变高电平持续时间，可以有效控制负载的能量输入。

占空比（D）= 高电平持续时间 / PWM周期

例如，一个频率为20kHz的PWM信号，若占空比为60%，则平均输出电压为输入电压的60%。

2. 为什么用 PWM 驱动电机？

相比线性稳压方式，PWM具备如下优势：

• 能效高：功率器件开关状态几乎无功耗；

• 热损耗小：减少电机和驱动模块发热；

• 响应快：适应电机启动/停止/反转等快速变化；

• 控制精度高：可实现闭环控制系统；

二、电机恒流控制的意义与需求

1. 恒流控制的重要性

电机驱动中的“恒流”并非绝对恒定，而是在一定时间尺度内保持稳定的电流输出，以满足以下目标：

• 维持恒定转矩输出（力矩与电流成正比）；

• 避免电机过载烧毁；

• 提升效率与稳定性；

• 精准位置与速度控制（尤其对步进、伺服系统关键）；

2. 适用电机类型

• 直流无刷电机（BLDC）：多采用三相PWM恒流驱动；

• 步进电机：常采用恒流斩波PWM以避免高速失步；

• 有刷DC电机：可采用PWM调速+电流检测构建恒流控制；

三、PWM 恒流驱动电路工作原理

1. 基本控制原理框图

markdown复制编辑电源输入 → MOS驱动器（PWM）→ 电机负载                 ↑                      ↓            电流采样 → 比较 → 控制器（PI、PID、电流环）

2. 电流检测与反馈机制

• 采样方式：常通过电流采样电阻（Rs）或霍尔电流传感器；

• 反馈机制：与设定参考电流值比较，输出误差信号；

• 调制输出：控制PWM占空比，以调节MOSFET导通时间；

当电机负载变重导致电流下降时，反馈控制器会自动增加PWM占空比，从而提升电流，实现闭环恒流。

3. 恒流斩波（Chopper）控制方式

用于步进电机的典型PWM恒流控制技术为“斩波”模式：

• 当检测电流低于设定值，PWM MOSFET导通；

• 达到阈值后立即关闭，电感电流自然衰减；

• 周期性开关形成“恒流包络”；

• 此类控制也称为“电流斩波式控制”；

四、PWM频率与电机性能的关系

五、恒流驱动中常见电路拓扑

1. 单极性PWM驱动（Low-Side Switch）

• MOSFET在GND侧控制通断；

• 控制简单，适合单方向驱动；

• 常与肖特基二极管并联构建续流路径；

2. H桥双极性PWM驱动

• 适合有刷DC/步进/BLDC电机；

• 可实现双向电流与换向；

• 可灵活控制PWM占空比和方向位；

3. 三相全桥驱动（BLDC）

• 使用三对MOS管形成三相桥；

• 每相采用PWM调速并控制换相逻辑；

• 结合霍尔或无传感器方式检测转子位置；

六、PWM恒流控制技术中的关键要素

1. 电流环与速度环协调控制

• 恒流控制通常构建为内电流环 + 外速度环；

• 电流环响应快，主要作用是动态稳流；

• 速度环响应慢，调节转速与目标值匹配；

2. PI/PID 控制器的设计

• PI控制常用于电流环控制；

• 参数设置需考虑采样周期、滤波延迟；

• 调得过激会导致系统震荡，不足则响应慢；

3. 防抖与抗干扰设计

• 增加电流采样滤波器（RC/数字滤波）；

• 采用死区时间控制避免桥臂短路；

• 设计过流保护机制，如PWM拉低+重启逻辑；

七、典型应用案例分析

案例一：步进电机恒流细分控制器

• 使用A4988或DRV8825芯片；

• 内部集成PWM斩波器，支持1/16细分；

• 利用电流设定电阻决定最大工作电流；

案例二：无刷电机恒流驱动器（BLDC）

• 基于STM32 + MOS驱动模块；

• 实现FOC（磁场定向控制）+ 电流闭环；

• 精准控制相电流，提升动态性能与效率；

案例三：有刷电机调速+恒流保护

• PWM调速模块（如IR2104）控制MOS；

• 串联采样电阻反馈过流信号；

• 电流超限时触发软关断，保护电机安全；

八、PWM恒流控制的优势与挑战

优势：

• 实现高精度恒流，适用于各种电机；

• 提高电机效率与寿命；

• 容易集成于嵌入式系统与MCU控制器中；

• 成本低、响应快、可扩展性强；

挑战：

• 高频PWM带来的EMI问题需特别注意；

• 系统调试对电流环参数有较高要求；

• 不同电机特性（如反电动势）会影响控制精度；

九、未来发展趋势展望

1. 数字控制取代模拟环路：高性能MCU与FPGA成为主流，实现灵活调参；

2. 智能自整定控制器：PID参数自动匹配电机负载变化；

3. 高频高压GaN器件：提升驱动效率与功率密度；

4. 云边协同控制：通过物联网平台远程监测电机状态，优化PWM策略；

十、结语

PWM恒流驱动技术作为现代电机控制系统中的核心手段，已经广泛应用于工业自动化、智能机器人、电动车驱动等多个领域。其优势在于效率高、控制精度高、适用性强，并可以轻松与嵌入式系统集成。未来，随着数字控制技术、宽禁带功率器件和智能算法的发展，PWM驱动的恒流控制将持续进化，为各类精密运动与能效设备提供更优解决方案。