基于PWM模块和CWG模块的直流电机伺服系统设计

1、基于pwm模块和cwg模块的直流电机伺服系统设计 直流结构容易，工作稳定牢靠，较易实现伺服控制。本文以16f1508为控制器，运用其模块和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，优先挑选的还是直流电动机，由于其价格廉价、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整式汽车座椅中。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、驱动电路、速度检测与电平转换电路，1所示。

2、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 pic16f1508pic16f1508是公司的一款8位闪存单片机，与microchip其他单片机相比，增强了一些特色功能模块，比如互补波形发生器模块(cwg)、可配置规律单元模块(clc)及数控模块(nco)等。在直流电动机伺服系统中主要用法cwg模块。互补波形发生器模块(cwg)具有针对所挑选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，而且还带有一定时光的死区延时。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

3、避开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，而且囫囵系统结构越发紧凑，成本大大降低。2.2 光电隔离电路为了庇护pic控制器的平安并有效抑制信号干扰，在控制器和h桥之间增强了光电隔离芯片hcpl4504。其对pic16f1508输出的4路pwm脉冲举行光电隔离，其中一路pwm信号输出的光电隔离电路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，电动机电枢的极性呈正负变幻;而单极性是在一个pwm周期内，电动机

4、电枢只承受单极性的电压3。此系统采纳单极性驱动，而单极性驱动又有t型和h型之分，应用较多的是h型,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，有效地避开了均用法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极驱动电路都采纳的是低成本、制作容易的驱动，详细电路4和图5所示。整体的h桥驱动电路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

5、检测与电平转换电路直流电动机的速度检测办法有采纳霍尔检测、光电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-5050 v电压，远超出a/d转换采集输入信号范围，所以需要举行电平转换。本系统先通过精密稳压元件tl431将电压降到2.57.5 v，然后采纳的是高精度差分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

6、的模块，可在有接地回路及噪声的状况下举行信号采集。ina132差分增益为固定的1/2或1，具有较高的共模抑制比。详细电平转换电路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，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举行采样后，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

7、值，然后对速度举行pi调整，详细流程图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延续自动采样和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。详细流程图10所示。图10 a/d转换中断子程序流程图4 试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，用检测到带死区延时的互补的pwm波形，详细11所示。它能有效地避开驱动h桥电路中上下桥臂的直通，为囫囵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。1pwm波形，2带升高沿死区的pwm波形，3带下降沿死区的pwm波形图11带死区的互补pwm波形试验图图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