基于PWM模塊和CWG模塊的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠，較易實(shí)現(xiàn)伺服控制。本文以PIC16F1508單片機(jī)為控制器，運(yùn)用其PWM模塊和CWG模塊產(chǎn)生帶死區(qū)的互補(bǔ)PWM波形，輸入給H橋驅(qū)動(dòng)的上下橋臂，有效解決了直流電動(dòng)機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)上下橋臂的直通問題。

　　引言

　　直流電動(dòng)機(jī)是最早發(fā)明的電動(dòng)機(jī)，也是最早實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。在大多數(shù)調(diào)速場(chǎng)合，優(yōu)先選擇的還是直流電動(dòng)機(jī)，因?yàn)槠鋬r(jià)格便宜、調(diào)速較易實(shí)現(xiàn)，且調(diào)速效果相對(duì)平穩(wěn)。目前，直流電動(dòng)機(jī)仍被廣泛應(yīng)用于智能玩具與按鈕調(diào)節(jié)式汽車座椅中。

　　1 直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)組成

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

　　圖1 直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)框圖

　　2 伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 PIC16F1508

　　PIC16F1508是Microchip公司的一款8位閃存單片機(jī)，與Microchip其他單片機(jī)相比，增加了一些特色功能模塊，比如互補(bǔ)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(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中主要使用CWG模塊。

　　互補(bǔ)波形發(fā)生器模塊(CWG)具有針對(duì)所選擇的輸入源產(chǎn)生帶死區(qū)延時(shí)的互補(bǔ)波形的功能[2]。簡言之，CWG模塊能對(duì)所選的輸入源產(chǎn)生雙輸出的互補(bǔ)波形，而且還帶有一定時(shí)間的死區(qū)延時(shí)。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(shí)的互補(bǔ)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(shì)。此外，通過單片機(jī)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(gè)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(hù)PIC控制器的安全并有效抑制信號(hào)干擾，在控制器和H橋之間增加了光電隔離芯片HCPL4504。其對(duì)PIC16F1508輸出的4路PWM脈沖進(jìn)行光電隔離，其中一路PWM信號(hào)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(hào)輸出光電耦合隔離電路

　　2.3驅(qū)動(dòng)電路

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

　　圖3 H型單極性可逆PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　由圖3可知，H型單極性可逆PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由4個(gè)MOSFET管構(gòu)成。本系統(tǒng)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(fù)雜性，并相對(duì)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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

　　圖4 PMOS驅(qū)動(dòng)電路

　　圖5 NMOS驅(qū)動(dòng)電路

　　圖6 H橋驅(qū)動(dòng)電路

　　2.4 速度檢測(cè)與電平轉(zhuǎn)換電路

　　直流電動(dòng)機(jī)的速度檢測(cè)方法有采用霍爾傳感器檢測(cè)、光電編碼器檢測(cè)及直流測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)。本系統(tǒng)選用的是直流測(cè)速發(fā)電機(jī)來檢測(cè)速度。將直流測(cè)速發(fā)電機(jī)安裝在被測(cè)直流電動(dòng)機(jī)軸上，以與被測(cè)電動(dòng)機(jī)相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。選用的直流測(cè)速發(fā)電機(jī)型號(hào)是ZCF221A，直流電動(dòng)機(jī)速度的獲得是通過直流測(cè)速發(fā)電機(jī)反饋電壓來檢測(cè)的，考慮到直流發(fā)電機(jī)輸出-50~50 V電壓，遠(yuǎn)超出A/D轉(zhuǎn)換采集輸入信號(hào)范圍，所以需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

　　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(jìn)行信號(hào)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。

　　圖7 電平轉(zhuǎn)換電路

　　3 伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　直流電動(dòng)機(jī)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。

　　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(yīng)，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(dá)到采樣周期進(jìn)行采樣后，通過與測(cè)速發(fā)電機(jī)基值的比較，然后再乘以相應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，得出速度實(shí)際值，然后對(duì)速度進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，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(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(dòng)采樣和A/D轉(zhuǎn)換后申請(qǐng)A/D中斷，即將反饋輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，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10 A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序流程圖

　　4 實(shí)驗(yàn)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(yùn)行，用示波器檢測(cè)到帶死區(qū)延時(shí)的互補(bǔ)的PWM波形，具體如圖11所示。它能有效地避免驅(qū)動(dòng)H橋電路中上下橋臂的直通，為整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

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

　　1—PWM波形，2—帶上升沿死區(qū)的PWM波形，3—帶下降沿死區(qū)的PWM波形

　　圖11帶死區(qū)的互補(bǔ)PWM波形實(shí)驗(yàn)圖

　　圖12 直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制時(shí)轉(zhuǎn)速

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