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基于PWM模塊和CWG模塊的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2016-05-27 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作穩(wěn)定可靠,較易實(shí)現(xiàn)伺服控制。本文以PIC16F1508單片機(jī)為控制器,運(yùn)用其PWM模塊和CWG模塊產(chǎn)生帶死區(qū)的互補(bǔ)PWM波形,輸入給H橋驅(qū)動(dòng)的上下橋臂,有效解決了直流電動(dòng)機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)上下橋臂的直通問(wèn)題。
  
引言
  
直流電動(dòng)機(jī)是最早發(fā)明的電動(dòng)機(jī),也是最早實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。在大多數(shù)調(diào)速場(chǎng)合,優(yōu)先選擇的還是直流電動(dòng)機(jī),因?yàn)槠鋬r(jià)格便宜、調(diào)速較易實(shí)現(xiàn),且調(diào)速效果相對(duì)平穩(wěn)。目前,直流電動(dòng)機(jī)仍被廣泛應(yīng)用于智能玩具與按鈕調(diào)節(jié)式汽車(chē)座椅中。
  
1 直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)組成
  
直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)主要包括控制器PIC16F1508、光電隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路、速度檢測(cè)與電平轉(zhuǎn)換電路,如圖1所示。
  
基于PWM模塊和CWG模塊的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖1 直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)框圖
  
2 伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
  
2.1 PIC16F1508
  
PIC16F1508是Microchip公司的一款8位閃存單片機(jī),與Microchip其他單片機(jī)相比,增加了一些特色功能模塊,比如互補(bǔ)波形發(fā)生器模塊(CWG)、可配置邏輯單元模塊(CLC)及數(shù)控振蕩器模塊(NCO)等。在直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中主要使用CWG模塊。
  
互補(bǔ)波形發(fā)生器模塊(CWG)具有針對(duì)所選擇的輸入源產(chǎn)生帶死區(qū)延時(shí)的互補(bǔ)波形的功能[2]。簡(jiǎn)言之,CWG模塊能對(duì)所選的輸入源產(chǎn)生雙輸出的互補(bǔ)波形,而且還帶有一定時(shí)間的死區(qū)延時(shí)。在本伺服系統(tǒng)中,通過(guò)CWG模塊選用特定的PWM輸入源,產(chǎn)生帶有死區(qū)延時(shí)的互補(bǔ)PWM波形,輸出給H橋的上下橋臂,有效地避免了上下開(kāi)關(guān)管的直通問(wèn)題,是本伺服系統(tǒng)中的一大優(yōu)勢(shì)。此外,通過(guò)單片機(jī)本身產(chǎn)生帶死區(qū)的PWM波形,不僅使系統(tǒng)可調(diào)和穩(wěn)定,而且整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊,成本大大降低。
  
2.2 光電隔離電路
  
為了保護(hù)PIC控制器的安全并有效抑制信號(hào)干擾,在控制器和H橋之間增加了光電隔離芯片HCPL4504。其對(duì)PIC16F1508輸出的4路PWM脈沖進(jìn)行光電隔離,其中一路PWM信號(hào)輸出的光電隔離電路如圖2所示,其他3路類(lèi)似。
  
基于PWM模塊和CWG模塊的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖2 PWM信號(hào)輸出光電耦合隔離電路
  
2.3驅(qū)動(dòng)電路
  
直流電動(dòng)機(jī)可逆系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)主要包括雙極性驅(qū)動(dòng)和單極性驅(qū)動(dòng)。雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期里,電動(dòng)機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化;而單極性是在一個(gè)PWM周期內(nèi),電動(dòng)機(jī)電樞只承受單極性的電壓[3]。此系統(tǒng)采用單極性驅(qū)動(dòng),而單極性驅(qū)動(dòng)又有T型和H型之分,應(yīng)用較多的是H型,如圖3所示。
  
基于PWM模塊和CWG模塊的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖3 H型單極性可逆PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
  
由圖3可知,H型單極性可逆PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由4個(gè)MOSFET管構(gòu)成。本系統(tǒng)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(shí)所需的升壓或降壓電路,降低了電路的復(fù)雜性,并相對(duì)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
  
此外,MOSFET管是電壓型驅(qū)動(dòng)元件,P MOS管和N MOS管的G極驅(qū)動(dòng)電路都采用的是低成本、制作簡(jiǎn)單的三極管驅(qū)動(dòng),具體電路如圖4和圖5所示。整體的H橋驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。
  
基于PWM模塊和CWG模塊的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖4 PMOS驅(qū)動(dòng)電路
  
基于PWM模塊和CWG模塊的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖5 NMOS驅(qū)動(dòng)電路
  
基于PWM模塊和CWG模塊的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖6 H橋驅(qū)動(dòng)電路
  
2.4 速度檢測(cè)與電平轉(zhuǎn)換電路
  
直流電動(dòng)機(jī)的速度檢測(cè)方法有采用霍爾傳感器檢測(cè)、光電編碼器檢測(cè)及直流測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)。本系統(tǒng)選用的是直流測(cè)速發(fā)電機(jī)來(lái)檢測(cè)速度。將直流測(cè)速發(fā)電機(jī)安裝在被測(cè)直流電動(dòng)機(jī)軸上,以與被測(cè)電動(dòng)機(jī)相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。選用的直流測(cè)速發(fā)電機(jī)型號(hào)是ZCF221A,直流電動(dòng)機(jī)速度的獲得是通過(guò)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)反饋電壓來(lái)檢測(cè)的,考慮到直流發(fā)電機(jī)輸出-50~50 V電壓,遠(yuǎn)超出A/D轉(zhuǎn)換采集輸入信號(hào)范圍,所以需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
  
本系統(tǒng)先通過(guò)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(gòu)成減法電路,使電壓滿(mǎn)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(jìn)行信號(hào)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(zhuǎn)換電路如圖7所示。
  
基于PWM模塊和CWG模塊的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖7 電平轉(zhuǎn)換電路
  
3 伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
  
直流電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)換中斷子程序。
  
3.1 主程序
  
主程序主要包括各I/O輸入輸出狀態(tài)的設(shè)定、PWM模塊配置、CWG模塊設(shè)置,然后等待中斷響應(yīng),如圖8所示。主程序的模塊配置比較簡(jiǎn)明,使得程序占用資源少、可移植性好。
  
基于PWM模塊和CWG模塊的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(dá)到采樣周期進(jìn)行采樣后,通過(guò)與測(cè)速發(fā)電機(jī)基值的比較,然后再乘以相應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù),得出速度實(shí)際值,然后對(duì)速度進(jìn)行PI調(diào)節(jié),具體流程圖如圖9所示。
  
基于PWM模塊和CWG模塊的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖9 PWM周期中斷子程序流程圖
  
3.3 A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序
  
A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序主要功能是在連續(xù)自動(dòng)采樣和A/D轉(zhuǎn)換后申請(qǐng)A/D中斷,即將反饋輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),在A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序中讀出速度轉(zhuǎn)換結(jié)果。具體流程圖如圖10所示。
  
基于PWM模塊和CWG模塊的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖10 A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序流程圖
  
4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論
  
系統(tǒng)上電后,通過(guò)PWM模塊和CWG模塊程序的運(yùn)行,用示波器檢測(cè)到帶死區(qū)延時(shí)的互補(bǔ)的PWM波形,具體如圖11所示。它能有效地避免驅(qū)動(dòng)H橋電路中上下橋臂的直通,為整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。
  
經(jīng)過(guò)測(cè)試,當(dāng)PWM頻率為4 kHz時(shí),直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速如圖12所示。由圖可知,直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與PWM的占空比呈比例關(guān)系。理論轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速求差后與理論值相比較的值是相對(duì)誤差,18組相對(duì)誤差的平均值為0.15%,滿(mǎn)足應(yīng)用的要求。
  
基于PWM模塊和CWG模塊的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖11帶死區(qū)的互補(bǔ)PWM波形實(shí)驗(yàn)圖  1—PWM波形,2—帶上升沿死區(qū)的PWM波形,3—帶下降沿死區(qū)的PWM波形
    
基于PWM模塊和CWG模塊的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖12 直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控制時(shí)轉(zhuǎn)速
  
總之,以單片機(jī)PIC16F1508為控制器,運(yùn)用其特有的互補(bǔ)波形發(fā)生器模塊(CWG),通過(guò)H橋驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī),并用直流測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)速度并反饋給單片機(jī)的伺服系統(tǒng)。僅用單片機(jī)就能夠輸出帶死區(qū)的互補(bǔ)波形,不僅使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、比較穩(wěn)定,而且使系統(tǒng)成本大大降低,為直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)研究者提供了一定的參考和借鑒。
                                


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