三闭环电机控制系统设计

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三相异步电动机的闭环恒速控制系统设计结论

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电机速度开环控制和闭环控制

实验三十三电机速度开环控制和闭环控制（自动控制理论—检测技术综合实验）一、实验原理1．直流电机速度的控制直流电机的速度控制可以采用电枢回路电压控制、励磁回路电流控制和电枢回路串电阻控制三种基本方法。

三种控制方式中，电枢电压控制方法应用最广，它用于额定转速以下的调速，而且效率较高。

本实验采用电枢控制方式，如图33-1 所示。

本实验装置为一套小功率直流电机机组装置。

连接于被控制电机的输出轴的是一台发电机，发电机输出端接电阻负载，调节电阻负载即可调节被控制电机的输出负载。

发电机输出电压E图33-1 直流电机速度的电枢控制方式兼作被控电机速度反馈电压。

2．开环控制和闭环控制由自动控制理论分析可知，负载的存在相当于在控制系统中加入了扰动。

扰动会导致输出（电机速度）偏离希望值。

闭环控制能有效地抑制扰动，稳定控制系统的输出。

闭环控制原理方框图如图33-2。

当积分环节串联在扰动作用的反馈通道（即扰动作用点之前）时，即成为针对阶跃扰动时的I 型系统，能消除阶跃信号扰动。

图33-2 直流电机速度的闭环控制原理方框图采用积分环节虽然能一定程度上消除系统的稳态误差，但是却对系统的动态性能（超调量、响应时间）和稳定性产生不利影响。

因此需要配合进行控制器的设计和校正（采用根轨迹设计方法或频域设计方法）。

此外，在扰动可以测量的情况下，采用顺馈控制也能有效地对扰动引起的跟踪误差进行补偿，减轻反馈系统的负担，见图 33-3。

cDREG 1 G C图 33-3 反馈＋顺馈控制方式消除扰动引起的误差式中： G 1= G 1 (s ) 为控制器传递函数，也是扰动输入时的反馈通道传递函数；G 2 = G 2 (s ) 为被控对象（本实验中即被控直流电机）的传递函数； G c = G c (s ) 为顺馈控制通道传递函数； R 为指令输入，即希望的电机速度；C 为输出被控量，即被控电机的输出速度； E 为系统的稳态误差；D 为系统的扰动输入，即电机的负载。

闭环控制系统的设计与实现

闭环控制系统的设计与实现闭环控制系统的设计与实现闭环控制系统是一种智能控制系统，可以根据实际反馈信息来调整控制过程，使其始终保持在预期的状态。

本文将按照步骤思考的方式，介绍闭环控制系统的设计与实现。

第一步：确定控制目标在设计闭环控制系统之前，首先需要明确控制的具体目标。

这可以是温度、速度、位置等各种物理量。

确定了控制目标后，我们就可以开始考虑如何实现它。

第二步：选择传感器传感器是闭环控制系统中的重要组成部分，用于收集实际的反馈信息。

根据控制目标选择合适的传感器，比如温度传感器、速度传感器或位置传感器等。

传感器的准确性和可靠性对闭环控制系统的性能有着重要的影响，因此需要仔细选择。

第三步：设计控制器控制器是闭环控制系统的核心组成部分，用于根据传感器反馈的信息，计算控制信号并输出给执行器。

设计控制器需要考虑系统的稳定性、响应速度和鲁棒性等因素。

常见的控制器包括比例-积分-微分（PID）控制器和模糊控制器等。

根据实际情况选择合适的控制器，并进行参数调整和优化。

第四步：选择执行器执行器是闭环控制系统中负责执行控制信号的部件。

根据控制目标选择合适的执行器，比如电机、阀门或气缸等。

执行器的性能和响应速度对闭环控制系统的效果有重要影响，因此需要综合考虑其动态特性和可靠性。

第五步：建立数学模型为了实现闭环控制系统，我们需要建立被控对象的数学模型。

数学模型可以描述被控对象的动态特性和响应规律。

通过数学模型，我们可以对闭环控制系统进行仿真和分析，优化控制器的设计和参数。

第六步：实现闭环控制系统在实现闭环控制系统时，首先需要将传感器与被控对象连接起来，以获取实际反馈信息。

然后，将控制器与执行器连接起来，以输出控制信号。

最后，通过调节控制器的参数，使闭环控制系统能够实现预期的控制目标。

第七步：测试和优化在实际应用中，闭环控制系统可能面临各种干扰和噪声，因此需要进行测试和优化。

通过实验和实际运行，我们可以调整控制器的参数，优化闭环控制系统的性能，使其更稳定、更准确地达到控制目标。

基于空间矢量控制的三闭环永磁同步电机控制系统仿真

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电机闭环控制系统

运动伺服一般都是三环控制系统，从内到外依次是电流环速度环位置环。

1、首先电流环：电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出，我们称为“电流环给定”吧，然后呢就是电流环的这个给定和“电流环的反馈”值进行比较后的差值在电流环内做PID调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机的每相的相电流，“电流环的反馈”不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件（磁场感应变为电流电压信号）反馈给电流环的。

2、速度环：速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值，我们称为“速度设定”，这个“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值在速度环做PID调节（主要是比例增益和积分处理）后输出就是上面讲到的“电流环的给定”。

速度环的反馈来自于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”得到的。

3、位置环：位置环的输入就是外部的脉冲（通常情况下，直接写数据到驱动器地址的伺服例外），外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”，设定和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节（比例增益调节，无积分微分环节）后输出和位置给定的前馈信号的合值就构成了上面讲的速度环的给定。

位置环的反馈也来自于编码器。

编码器安装于伺服电机尾部，它和电流环没有任何联系，他采样来自于电机的转动而不是电机电流，和电流环的输入、输出、反馈没有任何联系。

而电流环是在驱动器内部形成的，即使没有电机，只要在每相上安装模拟负载（例如电灯泡）电流环就能形成反馈工作。

谈谈PID各自对差值调节对系统的影响：1、单独的P（比例）就是将差值进行成比例的运算，它的显著特点就是有差调节，有差的意义就是调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差，残差具体值您可以通过比例关系计算出。

增加比例将会有效减小残差并增加系统响应，但容易导致系统激烈震荡甚至不稳定。

2、单独的I（积分）就是使调节器的输出信号的变化速度与差值信号成正比，大家不难理解，如果差值大，则积分环节的变化速度大，这个环节的正比常数的比例倒数我们在伺服系统里通常叫它为积分时间常数，积分时间常数越小意味着系统的变化速度越快，所以同样如果增大积分速度（也就是减小积分时间常数）将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的震荡过程。

电机速度闭环控制器设计原理与实现

电机速度闭环控制器设计原理与实现电机速度闭环控制是现代控制领域中的一项重要技术，它可以有效地控制电机在运行过程中的速度，提高系统的稳定性和精度。

本文将介绍电机速度闭环控制器的设计原理和实现方法，帮助读者更好地理解和应用这一技术。

一、控制原理电机速度闭环控制的基本原理是通过传感器实时检测电机转速，将检测到的转速信号与设定的目标转速进行比较，并根据比较结果来调节电机的控制信号，使电机的实际速度逐渐接近目标速度，从而实现精确的速度控制。

在实际应用中，电机速度闭环控制器通常由传感器、比例积分微分（PID）控制器和执行机构组成。

传感器用于检测电机的实时转速，反馈给PID控制器；PID控制器根据传感器反馈信号和设定的目标速度计算出控制信号，控制电机的运行；执行机构则根据PID控制器输出的控制信号来调节电机的转速。

二、控制器设计在设计电机速度闭环控制器时，首先需要确定控制系统的参数，包括比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd。

这些参数的选择对控制系统的性能和稳定性具有重要影响，需要经过实验验证和调整。

其次，需要根据电机的类型和性能要求来选择合适的传感器和执行机构。

传感器的精度和响应速度会影响闭环控制系统的性能，执行机构的响应速度和调节精度则会影响电机的运行效果。

最后，通过对PID控制器的调试和参数整定，可以使闭环控制系统达到理想的控制效果。

在实际应用中，还可以采用模糊控制、神经网络控制等先进的控制方法来进一步提高控制系统的性能和稳定性。

三、控制器实现电机速度闭环控制器的实现通常采用微控制器或数字信号处理器（DSP）来实现。

通过编程控制器的输入输出端口和模拟数字转换器（ADC）等外设，可以方便地实现电机速度的检测和控制。

在具体实现过程中，需要编写控制算法和驱动程序，配置传感器和执行机构的接口，进行调试和测试。

通过不断优化和调整控制器的参数，可以实现电机速度闭环控制系统的稳定运行和精确控制。

四、总结电机速度闭环控制器是一种重要的控制技术，能够有效地提高电机系统的稳定性和精度。

电机运动控制系统的设计与应用

电机运动控制系统的设计与应用电机运动控制系统是一个重要的工程领域。

控制系统能够将电机的速度、位置和加速度等运动参数控制到高精度，从而使得电机运动更为稳定、精确和高效率。

本文将介绍电机运动控制系统的设计方法、应用场景以及相关技术等内容。

一、电机运动控制系统的设计方法1.系统结构设计电机运动控制系统的结构设计包括硬件结构和控制算法结构。

硬件结构包括传感器、执行器、运动控制器和通信模块等。

传感器能够采集电机位置、速度等参数，执行器能够控制电机运动。

运动控制器对电机的控制算法进行实现，通信模块实现控制指令和数据的传输。

2.控制算法设计控制算法主要包括开环控制和闭环控制。

开环控制是指在电机运动过程中，控制器输出一个基本控制命令，以固定的运动规律进行调节。

闭环控制则根据电机传感器的反馈信号进行补偿和修正，输入实时控制命令，以更加准确的运动规律进行调节。

3.系统参数调节系统参数调节是指对电机运动控制系统的参数进行优化，以达到更好的控制效果。

对于不同的电机类型和不同的应用场景，需要进行不同的参数调节。

常用参数包括控制命令的周期、传感器采样频率等。

二、电机运动控制系统的应用场景电机运动控制系统的应用场景非常广泛。

常见的应用场景包括：1. 机器人控制电机运动控制系统是机器人控制的关键技术之一。

通过控制电机的角度、速度和加速度等参数，实现机器人的移动、抓取、拖动等动作。

2. 电动汽车电机运动控制系统是电动汽车的核心技术。

通过对电机的控制，可以实现电动汽车的加速、刹车、转向等功能，提高汽车的安全性、能效和舒适性。

3. 机床控制机床控制系统需要对电机的运动精度和速度等要求非常高。

通过控制系统对电机的位置和速度进行精细调节，能够保证机床的加工精度和工作效率。

4. 飞行器控制飞行器控制系统需要对电机的控制非常精确。

动力系统、姿态控制和飞行路径的设计都需要电机运动控制系统的协作。

三、电机运动控制系统相关的技术1.传感技术传感技术是电机运动控制系统的关键技术。

基于模糊PID控制的永磁同步电动机控制系统设计与仿真分析

基于模糊PID控制的永磁同步电动机控制系统设计与仿真分析1 引言永磁同步电机(PMSM)具有强耦合、参数时变、非线性等特点，且系统运行时受到不同程度的干扰，因此很难满足现代工业对高性能PMSM伺服系统的控制要求，尤其在精度、可靠性等性能上。

PMSM伺服系统是一个包含电流(转矩)环、速度环和位置环的三闭环控制系统。

采用矢量控制可改善系统内部电流(转矩)环的性能囝。

位置环和速度环实现系统的精确定位和对输入信号的快速跟踪。

速度控制器研究较多的控制策略有神经网络控制、滑模变结构控制、多种控制策略的复合控制等。

其算法都比较复杂，不利于电机数字化控制的实时性。

模糊控制采用以系统误差和误差变化为输入语句变量的二维模糊控制器结构形式，能够处理受控对象的不确定特性，具有实现方法简易、运算快速、实时性强等特点，系统能够获得良好的动态特性．但静态特性不能令人满意。

将模糊控制与PID控制相结合，设计模糊PID速度控制器，使系统既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点。

系统仿真及实验结果表明该控制策略具有良好的控制效果。

2 模糊PID控制器的设计2.1 控制器结构设计应用于速度环的模糊PID控制器采用广泛应用的二维模糊控制器，其一个输入变量是电机输出转速反馈值与给定转速间的误差E。

另一个输入变量是转速误差的变化率EC，即单位时间内转速误差的差值。

输出端设计为多输出，由于模糊PID控制器是在传统PID 控制的基础上加入了模糊控制，故只需在传统PID调节参数的基础上稍作修正即可，于是取传统PID控制器的3个参数P，I，D的修正值△Kp，△Ki；△Kd作为模糊控制器的输出。

2.2 确定隶属度函数记E，EC，△Kp，△Ki，△Kd的模糊变量为e，ec，kp，ki，kdo如模糊子集为(NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}。

选择输入量e，ec隶属度函数为高斯型。

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摘要本文以详细阐述了MCS-8031为控制芯片，所构成的三闭环直流调速系统，三闭环即转速环，电流环，位置环。

包括8031单片机控制电路、复位电路、振荡电路、速度给定电路、光电码盘测速测位置电路、PWM波驱动H桥电路等；在软件的实现上采用PID控制算法模拟ASR,ACR环的作用，并给出程序流程图和具体程序设计。

关键字：单片机直流调速 PID算法第一章系统结构 (3)第二章硬件设计 (4)第一节8031的介绍和ROM扩展 (4)第二节驱动电路 (5)第三节给定输入电路 (6)第四节增量式光电脉冲编码器测速位置 (6)第五节霍尔传感器测电流 (8)第六节转速显示电路 (8)第七节时钟振荡器和复位电路 (9)第八节电源电路 (10)第三章系统软件设计 (12)第一节PWM波产生 (12)第二节给定速度程序设计 (14)第三节转速测定 (16)第四节位置测量 (17)第五节电流测量程序 (18)第六节速度显示程序 (18)第七节PID控制算法 (19)总结 (25)参考文献 (26)第一章系统结构电子技术的高速发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术进入一个新的阶段。

采用单片机控制的调速系统，其控制方案是依靠软件实现的，控制器由可编程功能模块组成，配置和参数调整简单方便，工作稳定。

本系统设计为三闭环调速，即包括电流环，转速环，位置环。

测速及位置用固定在主轴上的光电码盘产生脉冲信号，脉冲信号送入8254计数芯片计数，再传输到单片机计算，M/T法可计算出即时速度。

这个速度与设定的速度进行比较，得出差值。

MCS8031对这个差值进行PID运算，得出控制增量，即用单片机，PID算法实现模拟电路ACR,ASR的功能。

计算出PWM输出的占空比，去控制H桥驱动电路，其输出驱动直流电动机。

系统硬件结构如下图所示：第二章硬件设计硬件设计部分主要包括了，8031芯片的ROM 扩展， I/O 口的扩展设计，振荡电路和复位电路，H 桥驱动电路，给定输入电路，光电编码器测速、测位置电路，霍尔传感器测电流电路，稳压电源电路，第一节 8031的介绍和ROM 扩展本设计采用mcs-8031 单片机8031单片机是Intel 公司生产的MCS-51系列单片机中的一种，除无片内ROM 外，其余特性与MCS-51单片机基本一样，。

其结构图如下：313938373635343332212223242526272829301110管脚功能介绍：P0：1.外部扩展存储器时，当做数据总线2.外部扩展存储器时，当作地址总线3.不扩展时，可做一般的I/O 使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。

P1口:只做I/O 口使用：其内部有上拉电阻。

P2口：1.扩展外部存储器时，当作地址总线使用 2.做一般I/O 口使用，其内部有上拉电阻；P3口：除了作为I/O 使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。

ALE/PROG 地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE 用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

ALE 有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE 是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。

当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。

在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。

从这里我们可以看到，当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。

由于无rom,所以必须外接扩展存储器芯片，所以我们采用了外接一个EPROM2764,其具有8kb容量，2764有正常和编程两种工作方式，vcc接+5v,编程电源在编程时接+5v,连接图如下：74LS373是输出有三态门的锁存器，当使能端C为高电平时，锁存器的数据输出端Q的状态与与数据输入端D相同，当C端从高电平返回到低电平时，输入端的数据就被锁存在锁存器中，数据输入端D的变化不再影响Q端输出。

ALE与C端相连,起地址锁存作用。

第二节驱动电路基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动．。

直流电机控制使用H桥驱动电路，当PWM1为低电平,通过对PWM2输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通Q5导通，从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理，当PWM2为高电平,通过对PWM1输出占空比不同的矩形波使三极管Q2、Q3同时导通，Q4导通，从而实现电机反向转动以及转速的控制。

第三节给定输入电路运用A/D转换芯片将滑动变阻器的模拟电压转换为数字量作为控制直流电机速度的给定值，采用了ADC0809芯片。

其连接电路图如下：由于外接存储器，单片机ALE输出为单片机的频率1/12，约为1Mhz，所以需加一个D锁存器，进行二分频，因为ADC0809的最高时间频率不得高于640khz。

4光电式编码器直接与电动机主轴连接，当电动机转动时，带动码盘旋转，输出一系列的脉冲信号。

增量式编码器在码盘上均匀刻着一定数量的光栅，当电动机旋转时，码盘随之一起转动，可通过光栅的作用，持续不断地开放或封闭光通路，因此，在接收装置的输出端便得到了频率与转速成正比的方波序列，从而得以计算转速。

上面为光电编码器输出脉冲后，由于输出脉冲电平很小，所以经过运放放大后，再经过电平比较器LM339整形，输出与计数器8254所能接收的+5V 电平。

脉冲从6口输出。

为了获得转速的方向，可增加一对发光与接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距的1/4，刚两组脉冲序列A 和B 的相位相差90度，正转时A 相超前B 相，反转时B 相超前A 相。

1.鉴别转向电路可以采用一个D 锁存器，A 脉冲通入D 端，B 脉冲通入clk 这样，当正转时，Q=1,反转时，Q=0 2.脉冲计数电路将A ，B 通入与门后，再输入到8254计数芯片计数BA正转时第五节霍尔传感器测电流霍尔器件分为霍尔元件和霍尔集成电路两大类，前者是一个简单的霍尔片，使用时需将霍尔电压进行放大，而后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在一起，如差分放大器，射极跟随器，其输出伏级电压，可直接使用ADC0809进行转换。

本设计采用了霍尔元件，所以需要加上滤波放大电路，由于电机电枢电流有一定的脉动，添加一个采样保持环节，如图示H为霍尔元件。

第六节转速显示电路LED数码管的基本组成是半导体发光二极管，它是将若干个发光二极管，按照一定的笔段组合起来构成的一个整体。

LED数码管能显示0—9十个数字及部份英文字母。

它由8个发光二极管组成，其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个发光二极管在整个数码管的右下角，用来显示小数点。

根据8个发光二极管的不同连接形式，可以将LED数码管分成共阳极和共阴极两种。

将8个发光二极管的阳极都连在一起的称之为共阳极LED数码管；将8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED数码管。

本设计采用了数码管动态显示，这是单片机中应用最为广泛的一种显示方式一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp "的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O埠，而且功耗更低。

连接电路图如下如示，PA是8255芯片扩展口，共阴极接法，74ls138为三八译码器P1.5P1.6P1.7第七节时钟振荡器和复位电路单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，晶体振荡器接18，19脚，外部时钟振荡器和电容C1，C2构成并联谐振电路，连接在XTAL1.XTAL2脚两端C1C2内部振荡电路复位电路第八节电源电路电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。

78XX,XX就代表它所输出的电压值，能降低电压4-5V三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路。

该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。

有时在数字78或79后面还有一个M或L，如78M12或79L24,用来区别输出电流和封装形式等，其中78L调系列的最大输出电流为100mA，78M 系列最大输出电流为1A，78系列最大输出电流为1.5A。

在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。

当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。

21u F41u F本电源模块把220V的交流电转换成低压交流电，然后进行整流滤波，并用7805和7815稳压成所需要的5V和15V的直流电源，供给电机和整个系统。

第三章系统软件设计软件具有1个循环主程序，子程序分别为：转速给定子程序，AD转换子程序，速度测定子程序，PID算法子程序，速度显示子程序，Time0溢出中断服务子程序，产生需要的PWM波信号第一节PWM波产生使用单片机来控制直流电机的变速，一般采用调节电枢电压的方式，通过单片机控制PWM1，PWM2,产生可变的脉冲，这样电机上的电压也为宽度可变的脉冲电压。

根据公式U=aVCC其中：U为给定电压；a为脉冲的占空比（0<a<1）；VCC直流电压源，这里为5V。

电动机的电枢电压受单片机输出脉冲控制，实现了利用脉冲宽度调制技术（PWM）进行直流电机的因为在H桥电路中，只有PWM1与PWM2电平互为相反时电机才能驱动，也就是PWM1与PWM2同为高电平或同为低电平时，都不能工作，Pwm2Pwm1ZKB1实际占比空应该为，ZKB=ZKB1-ZKB2。