基于PWM 模塊和CWG 模塊的直流電機伺服系統(tǒng)設(shè)計

李玉美，趙波，王曉明

（遼寧工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，錦州121001）

李玉美、趙波（碩士研究生），研究方向為工業(yè)過程自動化；王曉明（教授），長期從事運動控制、自動化控制的科研和教學工作。

引 言

直流電動機是最早發(fā)明的電動機，也是最早實現(xiàn)調(diào)速的電動機。在大多數(shù)調(diào)速場合，優(yōu)先選擇的還是直流電動機，因為其價格便宜、調(diào)速較易實現(xiàn)，且調(diào)速效果相對平穩(wěn)。目前，直流電動機仍被廣泛應用于智能玩具與按鈕調(diào)節(jié)式汽車座椅中。

1 直流電動機伺服系統(tǒng)組成

直流電動機伺服系統(tǒng)主要包括控制器PIC16F1508、光電隔離電路、驅(qū)動電路、速度檢測與電平轉(zhuǎn)換電路，如圖1所示。

2 伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 PIC16F1508

圖1 直流電動機伺服系統(tǒng)框圖

PIC16F1508 是 Microchip公司的一款8 位閃存單片機，與Microchip其他單片機相比，增加了一些特色功能模塊，比如互補波形發(fā)生器模塊（CWG）、可配置邏輯單元模塊（CLC）及數(shù)控振蕩器模塊（NCO）等。在直流電動機伺服系統(tǒng)中主要使用CWG 模塊。

互補波形發(fā)生器模塊（CWG）具有針對所選擇的輸入源產(chǎn)生帶死區(qū)延時的互補波形的功能［2］。簡言之，CWG模塊能對所選的輸入源產(chǎn)生雙輸出的互補波形，而且還帶有一定時間的死區(qū)延時。在本伺服系統(tǒng)中，通過CWG 模塊選用特定的PWM 輸入源，產(chǎn)生帶有死區(qū)延時的互補PWM 波形，輸出給H 橋的上下橋臂，有效地避免了上下開關(guān)管的直通問題，是本伺服系統(tǒng)中的一大優(yōu)勢。此外，通過單片機本身產(chǎn)生帶死區(qū)的PWM 波形，不僅使系統(tǒng)可調(diào)和穩(wěn)定，而且整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，成本大大降低。

2.2 光電隔離電路

為了保護PIC控制器的安全并有效抑制信號干擾，在控制器和H 橋之間增加了光電隔離芯片HCPL4504。其對PIC16F1508輸出的4路PWM 脈沖進行光電隔離，其中一路PWM 信號輸出的光電隔離電路如圖2所示，其他3路類似。

2.3 驅(qū)動電路

直流電動機可逆系統(tǒng)的驅(qū)動主要包括雙極性驅(qū)動和單極性驅(qū)動。雙極性驅(qū)動是 指 在 一 個PWM 周期里，電動機電樞的電壓極性呈正負變化；而單極性是在一個PWM 周期內(nèi)，電動機電樞只承受單極性的電壓［3］。此系統(tǒng)采用單極性驅(qū)動，而單極性驅(qū)動又有T 型和H 型之分，應用較多的是H 型，如圖3所示。

圖2 PWM 信號輸出光電耦合隔離電路

圖3 H型單極性可逆PWM 驅(qū)動系統(tǒng)

由圖3可知，H 型單極性可逆PWM 驅(qū)動系統(tǒng)主要由4個MOSFET 管構(gòu)成。本系統(tǒng)H 橋上橋臂均為P－MOS管，下橋臂均為N－MOS管，有效地避免了均使用N－MOS或均為P－MOS時所需的升壓或降壓電路，降低了電路的復雜性，并相對提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

此外，MOSFET管是電壓型驅(qū)動元件，P－MOS管和N－MOS管的G極驅(qū)動電路都采用的是低成本、制作簡單的三極管驅(qū)動，具體電路如圖4和圖5所示。整體的H 橋驅(qū)動電路如圖6所示。

2.4 速度檢測與電平轉(zhuǎn)換電路

直流電動機的速度檢測方法有采用霍爾傳感器檢測、光電編碼器檢測及直流測速發(fā)電機檢測。本系統(tǒng)選用的是直流測速發(fā)電機來檢測速度。將直流測速發(fā)電機安裝在被測直流電動機軸上，以與被測電動機相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。選用的直流測速發(fā)電機型號是ZCF221A，直流電動機速度的獲得是通過直流測速發(fā)電機反饋電壓來檢測的，考慮到直流發(fā)電機輸出－50～50V 電壓，遠超出A／D 轉(zhuǎn)換采集輸入信號范圍，所以需要進行電平轉(zhuǎn)換。

圖4 P－MOS驅(qū)動電路

本系統(tǒng)先通過精密穩(wěn)壓元件TL431將電壓降到2.5～7.5 V，然后采用的是高精度差分放大器INA132。INA132能夠構(gòu)成減法電路，使電壓滿足A／D采樣電路的輸入要求；此外，還具有中等輸入阻抗、閉環(huán)和固定增益的模塊，可在有接地回路及噪聲的情況下進行信號采集。INA132差分增益為固定的1／2或1，具有較高的共模抑制比。具體電平轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。

直流電動機伺服控制的軟件主要由3部分組成：主程序、PWM 周期中斷子程序、A／D轉(zhuǎn)換中斷子程序。

圖6 H橋驅(qū)動電路

圖7 電平轉(zhuǎn)換電路

3.1 主程序

主程序主要包括各I／O 輸入輸出狀態(tài)的設(shè)定、PWM模塊配置、CWG 模塊設(shè)置，然后等待中斷響應，如圖8所示。主程序的模塊配置比較簡明，使得程序占用資源少、可移植性好。

圖8 主程序流程圖

3.2 PWM 周期中斷子程序

PWM 周期中斷子程序在達到采樣周期進行采樣后，通過與測速發(fā)電機基值的比較，然后再乘以相應的轉(zhuǎn)換系數(shù)，得出速度實際值，然后對速度進行PI調(diào)節(jié)，具體流程圖如圖9所示。

3.3 A／D轉(zhuǎn)換中斷子程序

A／D轉(zhuǎn)換中斷子程序主要功能是在連續(xù)自動采樣和A／D轉(zhuǎn)換后申請A／D 中斷，即將反饋輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在A／D 轉(zhuǎn)換中斷子程序中讀出速度轉(zhuǎn)換結(jié)果。具體流程圖如圖10所示。

圖9 PWM 周期中斷子程序流程圖

圖10 A／D轉(zhuǎn)換中斷子程序流程圖

4 實驗現(xiàn)象與結(jié)論

系統(tǒng)上電后，通過PWM 模塊和CWG 模塊程序的運行，用示波器檢測到帶死區(qū)延時的互補的PWM 波形，具體如圖11所示。它能有效地避免驅(qū)動H 橋電路中上下橋臂的直通，為整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行奠定了基礎(chǔ)。

經(jīng)過測試，當PWM 頻率為4kHz時，直流電動機調(diào)速如圖12所示。由圖可知，直流電動機的轉(zhuǎn)速與PWM 的占空比呈比例關(guān)系。理論轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速求差后與理論值相比較的值是相對誤差，18組相對誤差的平均值為0.15%，滿足應用的要求。

圖11 帶死區(qū)的互補PWM 波形實驗圖

圖12 直流電動機開環(huán)控制時轉(zhuǎn)速

總之，以單片機PIC16F1508為控制器，運用其特有的互補波形發(fā)生器模塊（CWG），通過H 橋驅(qū)動直流電動機，并用直流測速發(fā)電機檢測速度并反饋給單片機的伺服系統(tǒng)。僅用單片機就能夠輸出帶死區(qū)的互補波形，不僅使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單、比較穩(wěn)定，而且使系統(tǒng)成本大大降低，為直流電動機伺服系統(tǒng)研究者提供了一定的參考和借鑒。

［1］王曉明.電動機的單片機控制［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2011.

［2］Microchip Technology.PIC16F1508Datasheet，2011.

［3］王曉明.電動機的DSC控制—微芯公司dsPIC應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.