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摘 要：为了使基于ARM的软PLC的功能更加完善需要对其进行功能扩展，在原系统中增加D/A输出接口，PWM输出接口和伺服电机编码器输入接口，在系统中的扩展应用采用PWM控制技术来实现对伺服电机的控制，首先了解一下PWM控制技术和伺服电机的工作原理和应用。
关键字：PWM控制技术 伺服电机 输出接口 输入接口
中图分类号：K826文献标识码： A
一、PWM控制的基本原理和相关概念
脉冲宽度调制（PWM）是Pulse Width Modulation的英文首字母缩写，一般简称脉宽调制。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。因为在任何给定的采样时刻，直流供电只有两种状态。一种是有(ON)，一种是无(OFF)，所以PWM信号是一种数字信号。当以一种通(ON)或断(OFF)的脉冲序列作为输出对被控对象进行控制的，当脉冲是通的时候就表示负载处在直流供电状态，断的时候表示负载的供电被断开。只要带宽足够，都能够使用PWM对任何模拟量进行编码。
PWM的主要有两个优点，首先，PWM技术不需要进行数模转换；其次PWM控制技术比模拟控制的抗干扰能力要强。
PWM控制技术主要有以下几个概念：
1．调制频率：调制频率为周期的倒数。
2．占空比：就是输出的PWM中的高电平时间和时钟周期的比值。例如，当PWM的输出频率是1000Hz时，它的时钟周期是1ms，即1000us，如果高电平的时间是100us，则低电平的时间就是900us，那么它的占空比就是100：1000，也基于软PLC的PID控制系统的计与实现18就是说PWM的占空比就是1：10。
3．双斜率/单斜率：假设一个PWM的计数从0到1000后又从0计数到1000，这个就是单斜率；假设一个PWM的计数从0到1000后是从1000计数到0，这个就是双斜率。可见，双斜率的计数时间多了一倍，所以输出的PWM频率就慢了一半，但是分辨率却是1：(1000+1000)＝1：2000，就是提高了一倍。
4．分辨率：也就是占空比最小能达到多少，例如在单斜率模式下8位的PWM的分辨率理论上就是1：255，16位就是1：65535。但是这是理论上的分辨率，实际未必达到，例如16位的PWM，它的分辨率理论上能达到了1：65535，但是要达到这个分辨率，T/C就必须从0计数到65535才能达到，如果计数从0计到1000之后又从0开始重新计数到1000，那么它的分辨率最小就是1：1000了，但是，它的占空比提高了，也就是说PWM输出的高电平时间延长了，即输出频率提高了。
现在出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下8种控制方法。
1．相电压控制PWM，相压控制法又可分为：随机PWM，随机PWM方法的原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声，尽管噪音的总分贝数并未发生变化，但因为有色噪声是以固定开关频率为特征的，这样就被很大幅度的削弱了；等脉宽PWM法，PWM脉冲序列的每一个脉冲的宽度都是相等的，将脉冲列的周期改变就可以调频,将脉冲的宽度或占空比改变就能够调压，因此能够使电压与频率协调变化；梯形波与三角波比较法，为了提高直流电压的利用率而提出来的，该方法是采用梯形波作为调制信号，三角波为载波，并使梯形波的幅值和三角波的幅值相等，在两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制，当梯形波的幅值等于三角波的幅时,它的基波分量幅值已大于三角波幅值,这就有效地提高了直流电压的利用率；SPWM法，该方法有以下几种方案：等面积法、软件生成法、硬件调制法、低次谐波消去法、规则采样法和自然采样法，其中低次谐波消去法、规则采样法和自然采样法只在同步调制方式中适用 。
2.电流控制PWM，电流控制PWM的基本思想是把输出的电流波形作为指令信号，把实际的电流波形作为反信号，通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断，使实际输出随指令信号的改变而改变。其实现方案主要有：预测电第三章 基于软PLC的功能扩展19流控制法、滞环比较法、三角波比较法
3.线电压控制PWM
前面所介绍的各种PWM控制方法在用于三相逆变电路的时候，都是分别控制三相输出相电压的。使它们的输出波形接近正弦波，但是,对于一些对称的负载，例如三相异步电动机。逆变器输出不需要使相电压接近正弦波，可以使线电压趋于正弦波，因此提出了线电压控制
PWM，它主要有以下两种方法：马鞍形波与三角波比较法，马鞍形波能够提高了直流电压的利用率；单元脉宽调制法，单元脉宽调制法一般只适用于控制异步电动机。
4.空间电压矢量控制
PWM，空间電压矢量控制的具体方法又分为磁通开环式和磁通闭环式。
5．直接转矩控制
PWM，直接转矩控制是把转矩作为被控量来直接控制的，这种方法的电机转矩和磁通的实际值是在静止的坐标系中计算的，因此不需要对电机模型进行解耦，对逆变器的开关状态进行控制的PWM信号是通过磁链和转矩的Band-Band控制产生的。
6．矢量控制
PWM，矢量控制也称磁场定向控制，它是通过控制电流、磁链等量对转矩进行间接控制的。
7．非线性控制
PWM，非线性控制PWM的基本思想是对开关占空比进行控制，使开关变量的平均值与控制参考电压在每个周期中相等或者成一定比例。
8．谐振软开关
谐振软开关PWM的基本思想是在常规PWM变换器拓扑中附加了一个谐振网络，当进行开关转换的时候，谐振网络在开关点上实现电力电子器件的软开关过程，由于谐振过程极短，所以基本不会影响PWM技术的实现，这样在实现软开关技术的同时又保持了PWM控制技术的特点。
PWM控制技术控制简单,灵活、动态响应好，因此成为电力电子技术中应用最为广泛的一种控制方式。现代科学技术的发展已经模糊了各个学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。PWM控制技术主要应用在电力电子技术行业，包括风力发电、电机调速、直流供电等领域。
PWM控制技术成本低、节约空间、抗噪声性能强，是一种值得广大工程技术人员使用的控制技术。
二、伺服电机的发展和应用
伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。
伺服电机主要包括直流伺服电机和交流伺服电机，其中交流伺服电机的应用更为广泛。交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似。永磁交流伺服电动机也称同步型交流伺服电动机，它是永磁同步电动机、速度定位传感器和转子位置传感器组成的一个机组。
永磁交流伺服电动机与直流伺服电动机进行对比，它的优点主要表现在以下
几个方面：
1．交流伺服电机没有无电刷和换向器，因此它比直流伺服电机的工作可靠性高，在使用时日常维护的要求也更低；
2．交流伺服电机的定子绕组散热性要比直流伺服电机好；
3．在高速大力矩的工作状态中，交流伺服电机的适应性更好；
4．交流伺服电机的转动惯量比直流伺服电机要小，因此采用交流伺服电机的控制系统的更容易提高运行的快速性；
5．功率相同时，永磁交流伺服电机和直流电机相比，它的体积更小、重量更轻；
6．交流伺服电动机运行平稳、噪音小。
目前国内的数字控制系统中还有很多采用步进电机作为执行部件，与交流伺服电机不同，步进电机的控制系统是开环控制方式。在出现了全数字式交流伺服系统之后，数字控制系统也越来越多的采用交流伺服电机作为执行部件。这两种电机的的控制方式都是是使用脉冲串和方向信号。虽然它们具有相同的控制方式，但是它们的应用场合和基本性能的差异还是比较大的。伺服电机和步进电机相比有以下优点：
1．精度：步进电机存在失步问题，伺服电机对速度、位置力矩采用闭环控制，克服了这个缺点；
2．转速：伺服电机的额定转速一般能达到每分钟2000～3000转，步进电机一般为几百转，因此伺服电机的高速性能更好；
3．适应性：伺服电机的抗过载能力强，可以承受额定转矩三倍的负载，特别适用于要求快速起动或者有瞬间负载波动的场合；
4．稳定：伺服电机在低速运行时不会产生步失步的现象，而步进电机存在失步现象，因此在高速响应要求的场合更加适合适用伺服电机；
5．及时性：伺服电机的加速和减速的响应时间短，一般不超过几十毫秒；
6．舒适性：伺服电机的噪音和运行时产生的热量都比步进电机明显的降低了。虽然通过对比可以看出交流伺服电机的性能在很多方面都优于步进电机。但是在设计控制系统的时候，不仅要考虑性能，还要结合现场控制需要以及系统成本等其他一些因素，所以步进电机也经常在一些要求不高的场合作为控制系统的执行电动机。
伺服电机的应用领域非常广泛。只要是拥有动力能源，同时对控制精度有一定要求的机械设备和控制系统基本都会涉及到伺服电机。例如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备。
关键字：PWM控制技术 伺服电机 输出接口 输入接口
中图分类号：K826文献标识码： A
一、PWM控制的基本原理和相关概念
脉冲宽度调制（PWM）是Pulse Width Modulation的英文首字母缩写，一般简称脉宽调制。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。因为在任何给定的采样时刻，直流供电只有两种状态。一种是有(ON)，一种是无(OFF)，所以PWM信号是一种数字信号。当以一种通(ON)或断(OFF)的脉冲序列作为输出对被控对象进行控制的，当脉冲是通的时候就表示负载处在直流供电状态，断的时候表示负载的供电被断开。只要带宽足够，都能够使用PWM对任何模拟量进行编码。
PWM的主要有两个优点，首先，PWM技术不需要进行数模转换；其次PWM控制技术比模拟控制的抗干扰能力要强。
PWM控制技术主要有以下几个概念：
1．调制频率：调制频率为周期的倒数。
2．占空比：就是输出的PWM中的高电平时间和时钟周期的比值。例如，当PWM的输出频率是1000Hz时，它的时钟周期是1ms，即1000us，如果高电平的时间是100us，则低电平的时间就是900us，那么它的占空比就是100：1000，也基于软PLC的PID控制系统的计与实现18就是说PWM的占空比就是1：10。
3．双斜率/单斜率：假设一个PWM的计数从0到1000后又从0计数到1000，这个就是单斜率；假设一个PWM的计数从0到1000后是从1000计数到0，这个就是双斜率。可见，双斜率的计数时间多了一倍，所以输出的PWM频率就慢了一半，但是分辨率却是1：(1000+1000)＝1：2000，就是提高了一倍。
4．分辨率：也就是占空比最小能达到多少，例如在单斜率模式下8位的PWM的分辨率理论上就是1：255，16位就是1：65535。但是这是理论上的分辨率，实际未必达到，例如16位的PWM，它的分辨率理论上能达到了1：65535，但是要达到这个分辨率，T/C就必须从0计数到65535才能达到，如果计数从0计到1000之后又从0开始重新计数到1000，那么它的分辨率最小就是1：1000了，但是，它的占空比提高了，也就是说PWM输出的高电平时间延长了，即输出频率提高了。
现在出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下8种控制方法。
1．相电压控制PWM，相压控制法又可分为：随机PWM，随机PWM方法的原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声，尽管噪音的总分贝数并未发生变化，但因为有色噪声是以固定开关频率为特征的，这样就被很大幅度的削弱了；等脉宽PWM法，PWM脉冲序列的每一个脉冲的宽度都是相等的，将脉冲列的周期改变就可以调频,将脉冲的宽度或占空比改变就能够调压，因此能够使电压与频率协调变化；梯形波与三角波比较法，为了提高直流电压的利用率而提出来的，该方法是采用梯形波作为调制信号，三角波为载波，并使梯形波的幅值和三角波的幅值相等，在两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制，当梯形波的幅值等于三角波的幅时,它的基波分量幅值已大于三角波幅值,这就有效地提高了直流电压的利用率；SPWM法，该方法有以下几种方案：等面积法、软件生成法、硬件调制法、低次谐波消去法、规则采样法和自然采样法，其中低次谐波消去法、规则采样法和自然采样法只在同步调制方式中适用 。
2.电流控制PWM，电流控制PWM的基本思想是把输出的电流波形作为指令信号，把实际的电流波形作为反信号，通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断，使实际输出随指令信号的改变而改变。其实现方案主要有：预测电第三章 基于软PLC的功能扩展19流控制法、滞环比较法、三角波比较法
3.线电压控制PWM
前面所介绍的各种PWM控制方法在用于三相逆变电路的时候，都是分别控制三相输出相电压的。使它们的输出波形接近正弦波，但是,对于一些对称的负载，例如三相异步电动机。逆变器输出不需要使相电压接近正弦波，可以使线电压趋于正弦波，因此提出了线电压控制
PWM，它主要有以下两种方法：马鞍形波与三角波比较法，马鞍形波能够提高了直流电压的利用率；单元脉宽调制法，单元脉宽调制法一般只适用于控制异步电动机。
4.空间电压矢量控制
PWM，空间電压矢量控制的具体方法又分为磁通开环式和磁通闭环式。
5．直接转矩控制
PWM，直接转矩控制是把转矩作为被控量来直接控制的，这种方法的电机转矩和磁通的实际值是在静止的坐标系中计算的，因此不需要对电机模型进行解耦，对逆变器的开关状态进行控制的PWM信号是通过磁链和转矩的Band-Band控制产生的。
6．矢量控制
PWM，矢量控制也称磁场定向控制，它是通过控制电流、磁链等量对转矩进行间接控制的。
7．非线性控制
PWM，非线性控制PWM的基本思想是对开关占空比进行控制，使开关变量的平均值与控制参考电压在每个周期中相等或者成一定比例。
8．谐振软开关
谐振软开关PWM的基本思想是在常规PWM变换器拓扑中附加了一个谐振网络，当进行开关转换的时候，谐振网络在开关点上实现电力电子器件的软开关过程，由于谐振过程极短，所以基本不会影响PWM技术的实现，这样在实现软开关技术的同时又保持了PWM控制技术的特点。
PWM控制技术控制简单,灵活、动态响应好，因此成为电力电子技术中应用最为广泛的一种控制方式。现代科学技术的发展已经模糊了各个学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。PWM控制技术主要应用在电力电子技术行业，包括风力发电、电机调速、直流供电等领域。
PWM控制技术成本低、节约空间、抗噪声性能强，是一种值得广大工程技术人员使用的控制技术。
二、伺服电机的发展和应用
伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。
伺服电机主要包括直流伺服电机和交流伺服电机，其中交流伺服电机的应用更为广泛。交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似。永磁交流伺服电动机也称同步型交流伺服电动机，它是永磁同步电动机、速度定位传感器和转子位置传感器组成的一个机组。
永磁交流伺服电动机与直流伺服电动机进行对比，它的优点主要表现在以下
几个方面：
1．交流伺服电机没有无电刷和换向器，因此它比直流伺服电机的工作可靠性高，在使用时日常维护的要求也更低；
2．交流伺服电机的定子绕组散热性要比直流伺服电机好；
3．在高速大力矩的工作状态中，交流伺服电机的适应性更好；
4．交流伺服电机的转动惯量比直流伺服电机要小，因此采用交流伺服电机的控制系统的更容易提高运行的快速性；
5．功率相同时，永磁交流伺服电机和直流电机相比，它的体积更小、重量更轻；
6．交流伺服电动机运行平稳、噪音小。
目前国内的数字控制系统中还有很多采用步进电机作为执行部件，与交流伺服电机不同，步进电机的控制系统是开环控制方式。在出现了全数字式交流伺服系统之后，数字控制系统也越来越多的采用交流伺服电机作为执行部件。这两种电机的的控制方式都是是使用脉冲串和方向信号。虽然它们具有相同的控制方式，但是它们的应用场合和基本性能的差异还是比较大的。伺服电机和步进电机相比有以下优点：
1．精度：步进电机存在失步问题，伺服电机对速度、位置力矩采用闭环控制，克服了这个缺点；
2．转速：伺服电机的额定转速一般能达到每分钟2000～3000转，步进电机一般为几百转，因此伺服电机的高速性能更好；
3．适应性：伺服电机的抗过载能力强，可以承受额定转矩三倍的负载，特别适用于要求快速起动或者有瞬间负载波动的场合；
4．稳定：伺服电机在低速运行时不会产生步失步的现象，而步进电机存在失步现象，因此在高速响应要求的场合更加适合适用伺服电机；
5．及时性：伺服电机的加速和减速的响应时间短，一般不超过几十毫秒；
6．舒适性：伺服电机的噪音和运行时产生的热量都比步进电机明显的降低了。虽然通过对比可以看出交流伺服电机的性能在很多方面都优于步进电机。但是在设计控制系统的时候，不仅要考虑性能，还要结合现场控制需要以及系统成本等其他一些因素，所以步进电机也经常在一些要求不高的场合作为控制系统的执行电动机。
伺服电机的应用领域非常广泛。只要是拥有动力能源，同时对控制精度有一定要求的机械设备和控制系统基本都会涉及到伺服电机。例如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备。