【導讀】直流電動機結構簡單，工作穩定可靠，較易實現伺服控制。本文以PIC16F1508單片機為控制器，運用其PWM模塊和CWG模塊產生帶死區的互補PWM波形，輸入給H橋驅動的上下橋臂，有效解決了直流電動機H橋驅動上下橋臂的直通問題。
引言
直流電動機是最早發明的電動機，也是最早實現調速的電動機。在大多數調速場合，優先選擇的還是直流電動機，因為其價格便宜、調速較易實現，且調速效果相對平穩。目前，直流電動機仍被廣泛應用于智能玩具與按鈕調節式汽車座椅中。
1 直流電動機伺服系統組成
直流電動機伺服系統主要包括控制器PIC16F1508、光電隔離電路、驅動電路、速度檢測與電平轉換電路，如圖1所示。
圖1 直流電動機伺服系統框圖
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。在直流電動機伺服系統中主要使用CWG模塊。
互補波形發生器模塊(CWG)具有針對所選擇的輸入源產生帶死區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生雙輸出的互補波形，而且還帶有一定時間的死區延時。在本伺服系統中，通過CWG模塊選用特定的PWM輸入源，產生帶有死區延時的互補PWM波形，輸出給H橋的上下橋臂，有效地避免了上下開關管的直通問題，是本伺服系統中的一大優勢。此外，通過單片機本身產生帶死區的PWM波形，不僅使系統可調和穩定，而且整個系統結構更加緊湊，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。
圖2 PWM信號輸出光電耦合隔離電路
2.3驅動電路
直流電動機可逆系統的驅動主要包括雙極性驅動和單極性驅動。雙極性驅動是指在一個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，電動機電樞只承受單極性的電壓[3]。此系統采用單極性驅動，而單極性驅動又有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 驅動系統
由圖3可知，H型單極性可逆PWM 驅動系統主要由4個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管是電壓型驅動元件，P MOS管和N MOS管的G極驅動電路都采用的是低成本、制作簡單的三極管驅動，具體電路如圖4和圖5所示。整體的H橋驅動電路如圖6所示。
圖4 PMOS驅動電路
圖5 NMOS驅動電路
圖6 H橋驅動電路
2.4 速度檢測與電平轉換電路
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電機檢測。本系統選用的是直流測速發電機來檢測速度。將直流測速發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速旋轉。選用的直流測速發電機型號是ZCF221A，直流電動機速度的獲得是通過直流測速發電機反饋電壓來檢測的，考慮到直流發電機輸出-50~50 V電壓，遠超出A/D轉換采集輸入信號范圍，所以需要進行電平轉換。
本系統先通過精密穩壓元件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，通過與測速發電機基值的比較，然后再乘以相應的轉換系數，得出速度實際值，然后對速度進行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/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 實驗現象與結論
系統上電后，通過PWM模塊和CWG模塊程序的運行，用示波器檢測到帶死區延時的互補的PWM波形，具體如圖11所示。它能有效地避免驅動H橋電路中上下橋臂的直通，為整個系統的穩定運行奠定了基礎。
經過測試，當PWM頻率為4 kHz時，直流電動機調速如圖12所示。由圖可知，直流電動機的轉速與PWM的占空比呈比例關系。理論轉速與實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%，滿足應用的要求。
圖11帶死區的互補PWM波形實驗圖 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12 直流電動機開環控制時轉速
總之，以單片機PIC16F1508為控制器，運用其特有的互補波形發生器模塊(CWG)，通過H橋驅動直流電動機，并用直流測速發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，不僅使整個系統結構相對簡單、比較穩定，而且使系統成本大大降低，為直流電動機伺服系統研究者提供了一定的參考和借鑒。
【推薦閱讀】
