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      基于PWM 模塊和CWG 模塊的直流電機伺服系統(tǒng)設計

      2015-09-12 06:42:30李玉美趙波王曉明
      關鍵詞:子程序伺服系統(tǒng)極性

      李玉美,趙波,王曉明

      (遼寧工業(yè)大學 機械工程與自動化學院,錦州121001)

      李玉美、趙波(碩士研究生),研究方向為工業(yè)過程自動化;王曉明(教授),長期從事運動控制、自動化控制的科研和教學工作。

      引 言

      直流電動機是最早發(fā)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(yōu)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(wěn)。目前,直流電動機仍被廣泛應用于智能玩具與按鈕調節(jié)式汽車座椅中。

      1 直流電動機伺服系統(tǒng)組成

      直流電動機伺服系統(tǒng)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。

      2 伺服系統(tǒng)的硬件設計

      2.1 PIC16F1508

      圖1 直流電動機伺服系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)中主要使用CWG 模塊。

      互補波形發(fā)生器模塊(CWG)具有針對所選擇的輸入源產生帶死區(qū)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(qū)延時。在本伺服系統(tǒng)中,通過CWG 模塊選用特定的PWM 輸入源,產生帶有死區(qū)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(tǒng)中的一大優(yōu)勢。此外,通過單片機本身產生帶死區(qū)的PWM 波形,不僅使系統(tǒng)可調和穩(wěn)定,而且整個系統(tǒng)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。

      2.3 驅動電路

      直流電動機可逆系統(tǒng)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(tǒng)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2 PWM 信號輸出光電耦合隔離電路

      圖3 H型單極性可逆PWM 驅動系統(tǒng)

      由圖3可知,H 型單極性可逆PWM 驅動系統(tǒng)主要由4個MOSFET 管構成。本系統(tǒng)H 橋上橋臂均為P-MOS管,下橋臂均為N-MOS管,有效地避免了均使用N-MOS或均為P-MOS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(tǒng)的穩(wěn)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。

      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(fā)電機檢測。本系統(tǒng)選用的是直流測速發(fā)電機來檢測速度。將直流測速發(fā)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(fā)電機型號是ZCF221A,直流電動機速度的獲得是通過直流測速發(fā)電機反饋電壓來檢測的,考慮到直流發(fā)電機輸出-50~50V 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。

      圖4 P-MOS驅動電路

      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。

      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。

      圖6 H橋驅動電路

      圖7 電平轉換電路

      3.1 主程序

      主程序主要包括各I/O 輸入輸出狀態(tài)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(fā)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(jié),具體流程圖如圖9所示。

      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(xù)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9 PWM 周期中斷子程序流程圖

      圖10 A/D轉換中斷子程序流程圖

      4 實驗現象與結論

      系統(tǒng)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(qū)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(tǒng)的穩(wěn)定運行奠定了基礎。

      經過測試,當PWM 頻率為4kHz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(qū)的互補PWM 波形實驗圖

      圖12 直流電動機開環(huán)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(fā)生器模塊(CWG),通過H 橋驅動直流電動機,并用直流測速發(fā)電機檢測速度并反饋給單片機的伺服系統(tǒng)。僅用單片機就能夠輸出帶死區(qū)的互補波形,不僅使整個系統(tǒng)結構相對簡單、比較穩(wěn)定,而且使系統(tǒng)成本大大降低,為直流電動機伺服系統(tǒng)研究者提供了一定的參考和借鑒。

      [1]王曉明.電動機的單片機控制[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011.

      [2]Microchip Technology.PIC16F1508Datasheet,2011.

      [3]王曉明.電動機的DSC控制—微芯公司dsPIC應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

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