1 引言
近年來，直流電動機的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計算機進入控制領(lǐng)域以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，采用全控型的開關(guān)功率元件進行脈寬調(diào)制(pulse width modulation,簡稱pwm)已成為直流電動機新的調(diào)速方式。這種調(diào)速方法具有開關(guān)頻率高、低速運行穩(wěn)定、動態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點，更重要的是這種調(diào)速方式很容易在單片機控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，因此具有很好的發(fā)展前景。
2 pwm調(diào)速原理
pwm調(diào)速方法通常采用功率場效應(yīng)管作為主開關(guān)元件，通過改變開關(guān)元件的導(dǎo)通方式及通斷比來改變輸出電壓的大小與極性，如圖1所示。gd1與gd2是隔離放大的驅(qū)動元件，可以采用光電耦合隔離或變壓器隔離。vt1和vt2是主開關(guān)元件(圖1中是以mosfet為代表)，vd1和vd2是兩個續(xù)流二極管，la是濾波電感。
當開關(guān)管mosfet的柵極輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓ud，t1(s)后。柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機電樞兩端電壓為0。t2(s)后，柵極輸出重新變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管的動作重復(fù)前面的工作。這樣，對應(yīng)著輸入的電平高低，直流電動機電樞繞組兩端的電壓波形如圖2所示。電動機電樞繞組兩端的電壓平均值u0為:
u0=×ud=×ud=αt×ud
(αt:占空比，0≤αt≤1)
在pwm調(diào)速系統(tǒng)中占空比αt是一個重要參數(shù)，在電源電壓ud不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比αt的大小，改變αt的值可以改變電樞端電壓的平均值從而達到調(diào)速的目的。
可以采用以下方法改變占空比αt的值。
(1) 定寬調(diào)頻法:保持t1不變，只改變t2，這樣使周期(或頻率)也隨之改變。
(2) 調(diào)寬調(diào)頻法:保持t2不變，只改變t1，這樣使周期(或頻率)也隨之改變。
(3) 定頻調(diào)寬法:保持周期t(或頻率)不變，同時改變t1和t2。
前兩種方法由于在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期(或頻率)，當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此常采用定頻調(diào)寬法來改變占空比從而改變直流電動機電樞兩端電壓。
3 電路設(shè)計思想
如圖4所示，此電路是用一個pwm調(diào)壓模塊對小功率直流電動機進行調(diào)速，電路主要由pwm脈沖波的產(chǎn)生，光耦隔離，驅(qū)動以及主開關(guān)元件等幾部分組成。
3.1 pwm脈沖波的產(chǎn)生
pwm脈沖波的產(chǎn)生方法有四種:
(1) 分立電子元件組成的pwm信號發(fā)生器
這種方法是用分立的邏輯電子元件組成pwm信號電路。它是最早期的方式，現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰了。
(2) 軟件模擬法
利用單片機的一個i/o引腳，通過軟件對該引腳不斷地輸出高低電平來實現(xiàn)pwm波輸出。這種方法要占用cpu大量時間，使單片機無法進行其它的工作，因此也逐漸被淘汰。
(3) 專用pwm集成電路
從pwm控制技術(shù)出現(xiàn)之日起，就有芯片制造商生產(chǎn)專用的pwm集成電路芯片，現(xiàn)在市場上已經(jīng)有很多種型號，如ti公司的tl494芯片，東芝公司的2sk3131芯片等。這些芯片除了有pwm信號發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、過流過壓保護功能等。這種專用pwm集成電路可以減輕單片機的負擔(dān)，工作更可靠。
(4) 單片機的pwm口
新一代的單片機增加了許多功能，其中包括pwm功能。如ad公司的12位單片機adμc831，inter公司的16位單片機8xc196以及cygnal公司的8位單片機c8051foxx系列等。在新一代的單片機中通過初始化設(shè)置，使其pwm輸出口能夠自動發(fā)出pwm脈沖波，只有在改變占空比時cpu才進行干預(yù)。
在本設(shè)計中采用了第4種產(chǎn)生pwm脈沖波的方法，使用ad公司生產(chǎn)的adμc831芯片的p2.7口作為pwm脈沖波的輸出口。adμc831的pwm采用了5個特殊功能寄存器:1個控制sfr(pwmcon)和4個數(shù)據(jù)sfrs(pwm0h，pwm0l，pwm1h，pwm1l)。pwmcon控制不同的pwm工作模式和pwm時鐘頻率。pwm0h/l和pwm1h/l是數(shù)字寄存器決定pwm的輸出周期。pwm的輸出管腳由cfg831寄存器決定，它可以是p2.6和p2.7管腳和p3.3和p3.4管腳。
pwmcon是個8位的寄存器，各個位的屬性見附表。
adμc831芯片的pwm工作模式有八種，設(shè)計采用了較為簡單的工作模式1，見圖3。在工作模式1中，pwm的脈沖波只在p2.7口形成，其它口不輸出pwm脈沖波。pwm脈沖波的脈寬和周期都是可以通過程序編輯，pwm的分辨率是可變的。pwm1h/l設(shè)置輸出波形的周期，pwm0h/l決定了輸出脈沖波的寬度。pwm1h/l設(shè)置的值越小，會減小pwm輸出的分辨率但是會增大輸出頻率。
采用pwm工作模式1對adμc831工作寄存器設(shè)置初值，程序如下所示:
pwmcon=0x13;
pwm1h=0x10;
pwm1l=0x00;
pwm0h=(unsigned char)((dacdata&0x0fff)/256);
pwm0l=(unsigned char)(dacdata%256);
3.2 光耦部分
光耦部分起到隔離和電平轉(zhuǎn)換的作用，因為單片機輸出的是ttl電平(0~5v)，而驅(qū)動部分采用的是ir2103，它的電源要求是10v~20v，電路中采用了12v電源，所以要求的輸入電平在0~12v之間。在此選用高速光耦6n136芯片。因為6n136的絕緣電壓是2500v(最小值);具有可兼容的ttl電路;邏輯低電平和邏輯高電平的傳輸延遲時間都是0.5μs(帶寬2mhz);供電電壓是－0.5v~15v，其耐壓和速度都符合電路的要求。
3.3 驅(qū)動部分
電路中驅(qū)動采用的是ir2103芯片，ir2103芯片是ir公司專為驅(qū)動功率開關(guān)管而設(shè)計的，是一種高電壓高速的功率mosfet和igbt驅(qū)動器，它有兩個獨立的高端和低端輸出通道，一個芯片可以驅(qū)動兩個mosfet管或igbt管。輸出的浮置通道可用來驅(qū)動高端接于600v(最大)的n溝道電力mosfet或igbt。
ir2103具有的特點是[3]:
(1) 浮置通道具有自舉電路，工作電壓可達600v，抗dv/dt干擾:
(2) 驅(qū)動電壓為10~20v;
(3) 低壓自鎖功能;
(4) 5v施密特觸發(fā)邏輯;
(5) 禁止直通邏輯(一個橋的上下臂不能直通);
(6) 兩個傳輸通道延時相同;
(7) 內(nèi)部設(shè)有死區(qū);
(8) 高端輸出與hin輸入相位相同，低端輸出與/lin相位相同。
3.4 主開關(guān)元件
對于中小功率的電動機通常采用功率場效應(yīng)管(bbbbl oxide semiconductor field effect transistor,mosfet)作為主開關(guān)元件，mosfet是一種多電子導(dǎo)電的單極型電壓控制器件，具有開關(guān)速度快、高頻特性好、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率小、安全工作區(qū)寬、無二次擊穿問題等顯著優(yōu)點。目前功率場效應(yīng)管的指標已經(jīng)達到耐壓600v，電流70a，工作頻率100khz的水平，在開關(guān)電源、辦公設(shè)備、中小型功率的電機調(diào)速中得到廣泛的應(yīng)用。
電路中采用的功率場效應(yīng)管是ir公司生產(chǎn)的irf840，ir840的耐壓達到500v，電流8a，工作頻率15.87mhz，圖中d10、d11是兩個續(xù)流二極管，它們?yōu)殡姍C電樞的反電動勢提供通路。如果該電動勢加在mosfet兩端，會燒毀mosfet。從驅(qū)動芯片輸出信號端到mosfet的門極之間分別加了電阻r3、r4，它們的作用是限制電流信號，同時起阻尼作用。由于mosfet的gs電容效應(yīng)，在電阻兩端反向并聯(lián)快速二極管d6、d7用來放電，提高mosfet的關(guān)斷速度。
4 結(jié)論
本文設(shè)計的pwm調(diào)速裝置具有電路簡單，成本低廉，可靠性高、運行穩(wěn)定的特點，是對于小型直流電動機調(diào)速裝置的一種探討和研究。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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