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於智能玩具與按鈕調節式汽車座椅中。

　　

　　

直流電動機伺服係統主要包括控製器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 直流電動機伺服係統框圖

　　

　　

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。在直流電動機伺服係統中主要使用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。在本伺服係統中，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
，是本伺服係統中的一大優勢。此外，通過單片機本身產生帶死區的PWM波形
，不僅使係統可調和穩定，而且整個係統結構更加緊湊
，成本大大降低。

　　

　　

為了保護PIC控製器的安全並有效抑製信號幹擾，在控製器和H橋之間增加了光電隔離芯片HCPL4504。其對PIC16F1508輸出的4路PWM脈衝進行光電隔離
，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

　　

　　

直流電動機可逆係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周期裏，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
，電動機電樞隻承受單極性的電壓[3]。此係統采用單極性驅動

，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 驅動係統

　　

由圖3可知，H型單極性可逆PWM 驅動係統主要由4個MOSFET管構成。本係統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，降低了電路的複雜性，並相對提高了係統的穩定性。

　　

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、製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

　　

　　

直流電動機的速度檢測方法有采用霍爾傳感器檢測、光guang電dian編bian碼ma器qi檢jian測ce及ji直zhi流liu測ce速su發fa電dian機ji檢jian測ce。本ben係xi統tong選xuan用yong的de是shi直zhi流liu測ce速su發fa電dian機ji來lai檢jian測ce速su度du。將jiang直zhi流liu測ce速su發fa電dian機ji安an裝zhuang在zai被bei測ce直zhi流liu電dian動dong機ji軸zhou上shang，以yi與yu被bei測ce電dian動dong機ji相xiang同tong的de轉zhuan速su旋xuan轉zhuan。選xuan用yong的de直zhi流liu測ce速su發fa電dian機ji型xing號hao是shiZCF221A，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轉換采集輸入信號範圍，所以需要進行電平轉換。

　　

本係統先通過精密穩壓元件TL431將電壓降到2.5~7.5 V
，然後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，具有較高的共模抑製比。具體電平轉換電路如圖7所示。

　　

圖7 電平轉換電路

　　

　　

直流電動機伺服控製的軟件主要由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。

　　

　　

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，然後等待中斷響應
，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

　　

　　

PWM周zhou期qi中zhong斷duan子zi程cheng序xu在zai達da到dao采cai樣yang周zhou期qi進jin行xing采cai樣yang後hou
，通tong過guo與yu測ce速su發fa電dian機ji基ji值zhi的de比bi較jiao
，然ran後hou再zai乘cheng以yi相xiang應ying的de轉zhuan換huan係xi數shu，得de出chu速su度du實shi際ji值zhi，然ran後hou對dui速su度du進jin行xingPI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

　　

　　

A/D轉換中斷子程序主要功能是在連續自動采樣和A/D轉換後申請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

　　

　　

係統上電後
，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，為整個係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的占空比呈比例關係。理論轉速與實際轉速求差後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 直流電動機開環控製時轉速

　　

總之，以單片機PIC16F1508為控製器，運用其特有的互補波形發生器模塊(CWG)
，通過H橋(qiao)驅(qu)動(dong)直(zhi)流(liu)電(dian)動(dong)機(ji)，並(bing)用(yong)直(zhi)流(liu)測(ce)速(su)發(fa)電(dian)機(ji)檢(jian)測(ce)速(su)度(du)並(bing)反(fan)饋(kui)給(gei)單(dan)片(pian)機(ji)的(de)伺(si)服(fu)係(xi)統(tong)。僅(jin)用(yong)單(dan)片(pian)機(ji)就(jiu)能(neng)夠(gou)輸(shu)出(chu)帶(dai)死(si)區(qu)的(de)互(hu)補(bu)波(bo)形(xing)
，不(bu)僅(jin)使(shi)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)結(jie)構(gou)相(xiang)對(dui)簡(jian)單(dan)

、比較穩定，而且使係統成本大大降低
，為直流電動機伺服係統研究者提供了一定的參考和借鑒。

                                

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