3、直流电机开环控制：H桥驱动原理、PWM调速、死区时间设置、开环调速仿真

各位同学，欢迎来到第三章。

前两章我们把直流电机的基本模型和数学方程捋了一遍。从这章开始，咱们要动真格的了——让电机真正转起来。

开环控制，说白了就是“我让你转你就转，转成啥样我不管”。听起来有点粗暴？但在很多场合，比如风扇、水泵、玩具车，开环完全够用。而且，它是理解闭环控制的基础。

3.1 H桥驱动原理：让电机正反转

直流电机怎么才能正转、反转？

答案很简单：改变电流方向。电流从A端进B端出，电机正转；反过来，从B端进A端出，它就反转。

那问题来了——我们只有一个电源（比如12V），怎么实现电流换向？

这就轮到H桥登场了。

H桥的基本结构

H桥由四个开关管（通常是MOSFET或IGBT）组成，接成“H”形。电机接在中间横杠上。

四个开关管分别叫：Q1（左上）、Q2（右上）、Q3（左下）、Q4（右下）。

工作模式就两种：

• 正转：导通Q1和Q4，电流从电源正极→Q1→电机→Q4→地。
• 反转：导通Q2和Q3，电流从电源正极→Q2→电机→Q3→地。

嗯，这里要注意：绝对不能同时导通Q1和Q2，或者Q3和Q4。为什么？因为那等于把电源正负极直接短路，瞬间电流能把管子烧成灰。我刚开始做驱动板时就犯过这个错，啪的一声，MOS管直接炸了，板子上一股焦味……从那以后，我每次上电前都会用万用表量一遍逻辑。

3.2 PWM调速：用占空比控制速度

电机转起来了，但怎么控制它转多快？

你可能会想：调电压呗。电压高转得快，电压低转得慢。

没错，道理是这个道理。但实际中我们很少直接调模拟电压，而是用PWM——脉冲宽度调制。

PWM的原理

说白了就是：把电源电压（比如12V）以很高的频率（比如20kHz）不停地开关。开的时间长，关的时间短，平均电压就高；反过来平均电压就低。

这个“开的时间占整个周期的比例”，就叫占空比。

• 占空比100%：一直开着，平均电压=12V，电机全速。
• 占空比50%：一半时间开一半时间关，平均电压=6V，电机半速。
• 占空比0%：一直关着，电机停转。

你想想看，电机是个大电感，电流不会突变。PWM频率足够高时，电流纹波很小，电机转起来就很平滑。

PWM与H桥的结合

实际驱动时，我们不会傻傻地让四个管子全硬开关。常用的方式是：

• 正转时：Q1常开，Q4用PWM控制。或者反过来，Q4常开，Q1用PWM。
• 反转时：Q2常开，Q3用PWM控制。

这样只需要一个PWM通道，控制简单，开关损耗也小。

3.3 死区时间设置：别让上下管直通

刚才我说过，上下管不能同时导通。但实际中，开关管不是理想器件——它关断需要时间。

比如，你让Q1关断、Q2导通。如果Q1还没完全关断，Q2就已经导通了，那瞬间就是上下管直通，短路！

这就是死区时间存在的意义。

死区时间是什么？

就是在切换上下管时，故意插入一段“两个管子都关断”的时间。比如：

1. 先关断Q1。
2. 等待死区时间（比如1微秒）。
3. 再导通Q2。

这样，无论Q1关断多慢，都不会和Q2同时导通。

死区时间设多大？

这取决于你用的MOSFET的关断延迟时间。一般数据手册会给出td(off)和tf。

我个人的经验公式：

死区时间 ≥ (td(off) + tf) × 1.5

留50%的余量，安全第一。

MOSFET型号	典型关断延迟	建议死区时间
IRF540	约50ns	200~500ns
IRF3205	约60ns	300~600ns
IGBT（如FGA25N120）	约300ns	1~2μs

3.4 开环调速仿真：让模型跑起来

理论讲完了，咱们来点实际的——在Simulink里搭一个开环调速模型。

仿真模型结构

我习惯这样搭：

1. PWM生成模块：用Repeating Sequence或PWM Generator，设置频率20kHz，占空比可调。
2. H桥模型：用四个MOSFET（可以用理想开关代替），加上死区时间逻辑。
3. 直流电机模型：用前两章讲的电枢方程和机械方程。
4. 示波器：看电压、电流、转速波形。

关键参数设置

电机参数我用一个实际的小直流电机：

• 额定电压：12V
• 电枢电阻：2Ω
• 电枢电感：5mH
• 反电动势常数：0.1 V/(rad/s)
• 转动惯量：0.001 kg·m²

仿真代码（MATLAB脚本方式）

如果你不想拖模块，也可以用脚本跑。下面是我常用的一个简化版：

% 直流电机开环PWM调速仿真
% 参数定义
R = 2;      % 电枢电阻，Ω
L = 0.005;  % 电枢电感，H
Ke = 0.1;   % 反电动势常数，V/(rad/s)
J = 0.001;  % 转动惯量，kg·m²
B = 0.0001; % 阻尼系数，N·m/(rad/s)

Vdc = 12;   % 电源电压，V
f_pwm = 20000; % PWM频率，Hz
T_pwm = 1/f_pwm;
duty = 0.6; % 占空比60%

% 仿真时间
t_end = 0.5; % 0.5秒
dt = 1e-6;   % 步长1微秒
t = 0:dt:t_end;
n = length(t);

% 状态变量初始化
i = 0;      % 电流，A
w = 0;      % 转速，rad/s
theta = 0;  % 角度，rad

% 存储结果
i_rec = zeros(1, n);
w_rec = zeros(1, n);

% 主循环
for k = 1:n
    % 生成PWM信号
    pwm = (mod(t(k), T_pwm) < duty*T_pwm);
    
    % H桥输出电压（简化：忽略死区）
    Va = pwm * Vdc;
    
    % 电机方程
    di = (Va - R*i - Ke*w) / L;
    dw = (Ke*i - B*w) / J;
    
    % 更新状态（欧拉法）
    i = i + di * dt;
    w = w + dw * dt;
    
    % 记录
    i_rec(k) = i;
    w_rec(k) = w;
end

% 画图
figure;
subplot(2,1,1);
plot(t, i_rec);
xlabel('时间 (s)'); ylabel('电流 (A)');
title('电枢电流');

subplot(2,1,2);
plot(t, w_rec);
xlabel('时间 (s)'); ylabel('转速 (rad/s)');
title('电机转速');

跑完这个仿真，你会看到：

• 电流在启动瞬间有个很大的冲击（因为反电动势还没建立起来）。
• 转速慢慢上升，最后稳定在一个值。
• 如果占空比从60%改成80%，稳态转速也会跟着升高。

好了，这一章的内容就到这儿。

从H桥的四个开关管，到PWM的占空比控制，再到死区时间的设置，最后用仿真验证了整个开环调速过程。你现在应该能自己搭一个简单的直流电机驱动系统了。

下一章，我们会给这个系统加上反馈——让电机转速更精确、更稳定。闭环控制，才是真正有意思的地方。