基于PWM模塊和CWG模塊的直流電機伺服系統設計

　　直流電動(dòng)機結構簡(jiǎn)單，工作穩定可靠，較易實(shí)現伺服控制。本文以PIC16F1508單片機為控制器，運用其PWM模塊和CWG模塊產(chǎn)生帶死區的互補PWM波形，輸入給H橋驅動(dòng)的上下橋臂，有效解決了直流電動(dòng)機H橋驅動(dòng)上下橋臂的直通問(wèn)題。

　　引言

　　直流電動(dòng)機是最早發(fā)明的電動(dòng)機，也是最早實(shí)現調速的電動(dòng)機。在大多數調速場(chǎng)合，優(yōu)先選擇的還是直流電動(dòng)機，因為其價(jià)格便宜、調速較易實(shí)現，且調速效果相對平穩。目前，直流電動(dòng)機仍被廣泛應用于智能玩具與按鈕調節式汽車(chē)座椅中。

　　1 直流電動(dòng)機伺服系統組成

　　直流電動(dòng)機伺服系統主要包括控制器PIC16F1508、光電隔離電路、驅動(dòng)電路、速度檢測與電平轉換電路，如圖1所示。

　　圖1 直流電動(dòng)機伺服系統框圖

　　2 伺服系統的硬件設計

　　2.1 PIC16F1508

　　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)及數控振蕩器模塊(NCO)等。在直流電動(dòng)機伺服系統中主要使用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)生帶死區延時(shí)的互補波形的功能[2]。簡(jiǎn)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(shí)間的死區延時(shí)。在本伺服系統中，通過(guò)CWG模塊選用特定的PWM輸入源，產(chǎn)生帶有死區延時(shí)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(kāi)關(guān)管的直通問(wèn)題，是本伺服系統中的一大優(yōu)勢。此外，通過(guò)單片機本身產(chǎn)生帶死區的PWM波形，不僅使系統可調和穩定，而且整個(gè)系統結構更加緊湊，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(jìn)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(lèi)似。

　　圖2 PWM信號輸出光電耦合隔離電路

　　2.3驅動(dòng)電路

　　直流電動(dòng)機可逆系統的驅動(dòng)主要包括雙極性驅動(dòng)和單極性驅動(dòng)。雙極性驅動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期里，電動(dòng)機電樞的電壓極性呈正負變化;而單極性是在一個(gè)PWM周期內，電動(dòng)機電樞只承受單極性的電壓[3]。此系統采用單極性驅動(dòng)，而單極性驅動(dòng)又有T型和H型之分，應用較多的是H型,如圖3所示。

　　圖3 H型單極性可逆PWM 驅動(dòng)系統

　　由圖3可知，H型單極性可逆PWM 驅動(dòng)系統主要由4個(gè)MOSFET管構成。本系統H橋上橋臂均為PMOS管，下橋臂均為NMOS管，有效地避免了均使用NMOS或均為PMOS時(shí)所需的升壓或降壓電路，降低了電路的復雜性，并相對提高了系統的穩定性。

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

　　圖4 PMOS驅動(dòng)電路

　　圖5 NMOS驅動(dòng)電路

　　圖6 H橋驅動(dòng)電路

　　2.4 速度檢測與電平轉換電路

　　直流電動(dòng)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。本系統選用的是直流測速發(fā)電機來(lái)檢測速度。將直流測速發(fā)電機安裝在被測直流電動(dòng)機軸上，以與被測電動(dòng)機相同的轉速旋轉。選用的直流測速發(fā)電機型號是ZCF221A，直流電動(dòng)機速度的獲得是通過(guò)直流測速發(fā)電機反饋電壓來(lái)檢測的，考慮到直流發(fā)電機輸出-50~50 V電壓，遠超出A/D轉換采集輸入信號范圍，所以需要進(jìn)行電平轉換。

　　本系統先通過(guò)精密穩壓元件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能夠構成減法電路，使電壓滿(mǎn)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(jìn)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。具體電平轉換電路如圖7所示。

　　圖7 電平轉換電路

　　3 伺服系統的軟件設計

　　直流電動(dòng)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轉換中斷子程序。

　　3.1 主程序

　　主程序主要包括各I/O輸入輸出狀態(tài)的設定、PWM模塊配置、CWG模塊設置，然后等待中斷響應，如圖8所示。主程序的模塊配置比較簡(jiǎn)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(jìn)行采樣后，通過(guò)與測速發(fā)電機基值的比較，然后再乘以相應的轉換系數，得出速度實(shí)際值，然后對速度進(jìn)行PI調節，具體流程圖如圖9所示。

　　圖9 PWM周期中斷子程序流程圖

　　3.3 A/D轉換中斷子程序

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

　　圖10 A/D轉換中斷子程序流程圖

　　4 實(shí)驗現象與結論

　　系統上電后，通過(guò)PWM模塊和CWG模塊程序的運行，用示波器檢測到帶死區延時(shí)的互補的PWM波形，具體如圖11所示。它能有效地避免驅動(dòng)H橋電路中上下橋臂的直通，為整個(gè)系統的穩定運行奠定了基礎。

　　經(jīng)過(guò)測試，當PWM頻率為4 kHz時(shí)，直流電動(dòng)機調速如圖12所示。由圖可知，直流電動(dòng)機的轉速與PWM的占空比呈比例關(guān)系。理論轉速與實(shí)際轉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(mǎn)足應用的要求。

　　1—PWM波形，2—帶上升沿死區的PWM波形，3—帶下降沿死區的PWM波形

　　圖11帶死區的互補PWM波形實(shí)驗圖

　　圖12 直流電動(dòng)機開(kāi)環(huán)控制時(shí)轉速

　　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(guò)H橋驅動(dòng)直流電動(dòng)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。僅用單片機就能夠輸出帶死區的互補波形，不僅使整個(gè)系統結構相對簡(jiǎn)單、比較穩定，而且使系統成本大大降低，為直流電動(dòng)機伺服系統研究者提供了一定的參考和借鑒。