引言

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于智能玩具與按鈕調節式汽車座椅中。

1 直流電動機伺服系統組成

直流電動機伺服系統主要包括控制器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。

圖1 直流電動機伺服系統框圖

2 伺服系統的硬件設計

2.1 PIC16F1508

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

圖2 PWM信號輸出光電耦合隔離電路

2.3驅動電路

直流電動機可逆系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 驅動系統

由圖3可知，H型單極性可逆PWM 驅動系統主要由4個MOSFET管構成。本系統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，降低了電路的復雜性，并相對提高了系統的穩定性。

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、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。

圖4 PMOS驅動電路

圖5 NMOS驅動電路

圖6 H橋驅動電路

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電機檢測。本系統選用的是直流測速發電機來檢測速度。將直流測速發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。選用的直流測速發電機型號是ZCF221A，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轉換采集輸入信號范圍，所以需要進行電平轉換。