基于PWM模块和CWG模块的直流电机伺服系统设计

　　直流电动机结构简单，工作稳定可靠，较易实现伺服控制。本文以PIC16F1508单片机为控制器，运用其PWM模块和CWG模块产生带死区的互补PWM波形，输入给H桥驱动的上下桥臂，有效解决了直流电动机H桥驱动上下桥臂的直通问题。
　　引言
　　直流电动机是最早发明的电动机，也是最早实现调速的电动机。在大多数调速场合，优先选择的还是直流电动机，因为其价格便宜、调速较易实现，且调速效果相对平稳。目前，直流电动机仍被广泛应用于智能玩具与按钮调节式汽车座椅中。
　　1 直流电动机伺服系统组成
　　直流电动机伺服系统主要包括控制器PIC16F1508、光电隔离电路、驱动电路、速度检测与电平转换电路，如图1所示。
　　


　　图1 直流电动机伺服系统框图
　　2 伺服系统的硬件设计
　　2.1 PIC16F1508
　　PIC16F1508是Microchip公司的一款8位闪存单片机，与Microchip其他单片机相比，增加了一些特色功能模块，比如互补波形发生器模块(CWG)、可配置逻辑单元模块(CLC)及数控振荡器模块(NCO)等。在直流电动机伺服系统中主要使用CWG模块。
　　互补波形发生器模块(CWG)具有针对所选择的输入源产生带死区延时的互补波形的功能[2]。简言之，CWG模块能对所选的输入源产生双输出的互补波形，而且还带有一定时间的死区延时。在本伺服系统中，通过CWG模块选用特定的PWM输入源，产生带有死区延时的互补PWM波形，输出给H桥的上下桥臂，有效地避免了上下开关管的直通问题，是本伺服系统中的一大优势。此外，通过单片机本身产生带死区的PWM波形，不仅使系统可调和稳定，而且整个系统结构更加紧凑，成本大大降低。
　　2.2 光电隔离电路
　　为了保护PIC控制器的安全并有效抑制信号干扰，在控制器和H桥之间增加了光电隔离芯片HCPL4504。其对PIC16F1508输出的4路PWM脉冲进行光电隔离，其中一路PWM信号输出的光电隔离电路如图2所示，其他3路类似。
　　


　　图2 PWM信号输出光电耦合隔离电路
　　2.3驱动电路
　　直流电动机可逆系统的驱动主要包括双极性驱动和单极性驱动。双极性驱动是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化;而单极性是在一个PWM周期内，电动机电枢只承受单极性的电压[3]。此系统采用单极性驱动，而单极性驱动又有T型和H型之分，应用较多的是H型,如图3所示。
　　


　　图3 H型单极性可逆PWM 驱动系统
　　由图3可知，H型单极性可逆PWM 驱动系统主要由4个MOSFET管构成。本系统H桥上桥臂均为PMOS管，下桥臂均为NMOS管，有效地避免了均使用NMOS或均为PMOS时所需的升压或降压电路，降低了电路的复杂性，并相对提高了系统的稳定性。
　　此外，MOSFET管是电压型驱动元件，P MOS管和N MOS管的G极驱动电路都采用的是低成本、制作简单的三极管驱动，具体电路如图4和图5所示。整体的H桥驱动电路如图6所示。
　　


　　图4 PMOS驱动电路
　　


　　图5 NMOS驱动电路
　　


　　图6 H桥驱动电路
　　2.4 速度检测与电平转换电路
　　直流电动机的速度检测方法有采用霍尔传感器检测、光电编码器检测及直流测速发电机检测。本系统选用的是直流测速发电机来检测速度。将直流测速发电机安装在被测直流电动机轴上，以与被测电动机相同的转速旋转。选用的直流测速发电机型号是ZCF221A，直流电动机速度的获得是通过直流测速发电机反馈电压来检测的，考虑到直流发电机输出-50~50 V电压，远超出A/D转换采集输入信号范围，所以需要进行电平转换。
　　本系统先通过精密稳压元件TL431将电压降到2.5~7.5 V，然后采用的是高精度差分放大器INA132。INA132能够构成减法电路，使电压满足A/D采样电路的输入要求;此外，还具有中等输入阻抗、闭环和固定增益的模块，可在有接地回路及噪声的情况下进行信号采集。INA132差分增益为固定的1/2或1，具有较高的共模抑制比。具体电平转换电路如图7所示。
　　


　　图7 电平转换电路
　　3 伺服系统的软件设计
　　直流电动机伺服控制的软件主要由3部分组成：主程序、PWM周期中断子程序、A/D转换中断子程序。
　　3.1 主程序
　　主程序主要包括各I/O输入输出状态的设定、PWM模块配置、CWG模块设置，然后等待中断响应，如图8所示。主程序的模块配置比较简明，使得程序占用资源少、可移植性好。
　　


　　图8 主程序流程图
　　3.2 PWM周期中断子程序
　　PWM周期中断子程序在达到采样周期进行采样后，通过与测速发电机基值的比较，然后再乘以相应的转换系数，得出速度实际值，然后对速度进行PI调节，具体流程图如图9所示。
　　


　　图9 PWM周期中断子程序流程图
　　3.3 A/D转换中断子程序
　　A/D转换中断子程序主要功能是在连续自动采样和A/D转换后申请A/D中断，即将反馈输入的模拟信号转换成数字信号，在A/D转换中断子程序中读出速度转换结果。具体流程图如图10所示。
　　


　　图10 A/D转换中断子程序流程图
　　4 实验现象与结论
　　系统上电后，通过PWM模块和CWG模块程序的运行，用示波器检测到带死区延时的互补的PWM波形，具体如图11所示。它能有效地避免驱动H桥电路中上下桥臂的直通，为整个系统的稳定运行奠定了基础。
　　经过测试，当PWM频率为4 kHz时，直流电动机调速如图12所示。由图可知，直流电动机的转速与PWM的占空比呈比例关系。理论转速与实际转速求差后与理论值相比较的值是相对误差，18组相对误差的平均值为0.15%，满足应用的要求。
　　


　　1—PWM波形，2—带上升沿死区的PWM波形，3—带下降沿死区的PWM波形
　　图11带死区的互补PWM波形实验图
　　


　　图12 直流电动机开环控制时转速
　　总之，以单片机PIC16F1508为控制器，运用其特有的互补波形发生器模块(CWG)，通过H桥驱动直流电动机，并用直流测速发电机检测速度并反馈给单片机的伺服系统。仅用单片机就能够输出带死区的互补波形，不仅使整个系统结构相对简单、比较稳定，而且使系统成本大大降低，为直流电动机伺服系统研究者提供了一定的参考和借鉴。