基于PWM 模块和CWG 模块的直流电机伺服系统设计

李玉美，赵波，王晓明

（辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，锦州121001）

李玉美、赵波（硕士研究生），研究方向为工业过程自动化；王晓明（教授），长期从事运动控制、自动化控制的科研和教学工作。

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。

2 伺服系统的硬件设计

2.1 PIC16F1508

图1 直流电动机伺服系统框图

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。

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2 PWM 信号输出光电耦合隔离电路

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P－MOS管，下桥臂均为N－MOS管，有效地避免了均使用N－MOS或均为P－MOS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。

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－50～50V 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。

图4 P－MOS驱动电路

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。

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。

图6 H桥驱动电路

图7 电平转换电路

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。

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9 PWM 周期中断子程序流程图

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4kHz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。

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。

［1］王晓明.电动机的单片机控制［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2011.

［2］Microchip Technology.PIC16F1508Datasheet，2011.

［3］王晓明.电动机的DSC控制—微芯公司dsPIC应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009.