摘 要 ：与交流电动机相比，直流电动机结构复杂，成本高，运行维护困难。但是直流电动机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业中仍有应用。文章介绍了一种利用单片机控制的PWM调速装置实现小功率直流电动机调速的方法，具体详述了电路的设计思想、电路的组成以及工作原理。
1 引言
近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(pulse width modulation,简称PWM)已成为直流电动机新的调速方式。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，更重要的是这种调速方式很容易在单片机控制系统中实现，因此具有很好的发展前景。
2 PWM调速原理
PWM调速方法通常采用功率场效应管作为主开关元件，通过改变开关元件的导通方式及通断比来改变输出电压的大小与极性，如图1所示。GD1与GD2是隔离放大的驱动元件，可以采用光电耦合隔离或变压器隔离。VT1和VT2是主开关元件(图1中是以MOSFET为代表)，VD1和VD2是两个续流二极管，La是滤波电感。
当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Ud，t1(s)后。栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t2(s)后，栅极输出重新变为高电平，开关管的动作重复前面的工作。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2所示。电动机电枢绕组两端的电压平均值U0为:
U0=×Ud=×Ud=αT×Ud
(αT:占空比，0≤αT≤1)
在PWM调速系统中占空比αT是一个重要参数，在电源电压Ud不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比αT的大小，改变αT的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。
可以采用以下方法改变占空比αT的值。
(1) 定宽调频法:保持t1不变，只改变t2，这样使周期(或频率)也随之改变。
(2) 调宽调频法:保持t2不变，只改变t1，这样使周期(或频率)也随之改变。
(3) 定频调宽法:保持周期T(或频率)不变，同时改变t1和t2。
前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。
3 电路设计思想
如图4所示，此电路是用一个PWM调压模块对小功率直流电动机进行调速，电路主要由PWM脉冲波的产生，光耦隔离，驱动以及主开关元件等几部分组成。
3.1 PWM脉冲波的产生
PWM脉冲波的产生方法有四种:
(1) 分立电子元件组成的PWM信号发生器
这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是最早期的方式，现在已经被淘汰了。
(2) 软件模拟法
利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM波输出。这种方法要占用CPU大量时间，使单片机无法进行其它的工作，因此也逐渐被淘汰。
(3) 专用PWM集成电路
从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已经有很多种型号，如TI公司的TL494芯片，东芝公司的2SK3131芯片等。这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、过流过压保护功能等。这种专用PWM集成电路可以减轻单片机的负担，工作更可靠。
(4) 单片机的PWM口
新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。如AD公司的12位单片机ADμC831，Inter公司的16位单片机8XC196以及Cygnal公司的8位单片机C8051FOXX系列等。在新一代的单片机中通过初始化设置，使其PWM输出口能够自动发出PWM脉冲波，只有在改变占空比时CPU才进行干预。
在本设计中采用了第4种产生PWM脉冲波的方法，使用AD公司生产的ADμC831芯片的P2.7口作为PWM脉冲波的输出口。ADμC831的PWM采用了5个特殊功能寄存器:1个控制SFR(PWMCON)和4个数据SFRS(PWM0H，PWM0L，PWM1H，PWM1L)。PWMCON控制不同的PWM工作模式和PWM时钟频率。PWM0H/L和PWM1H/L是数字寄存器决定PWM的输出周期。PWM的输出管脚由CFG831寄存器决定，它可以是P2.6和P2.7管脚和P3.3和P3.4管脚。
PWMCON是个8位的寄存器，各个位的属性见附表。
ADμC831芯片的PWM工作模式有八种，设计采用了较为简单的工作模式1，见图3。在工作模式1中，PWM的脉冲波只在P2.7口形成，其它口不输出PWM脉冲波。PWM脉冲波的脉宽和周期都是可以通过程序编辑，PWM的分辨率是可变的。PWM1H/L设置输出波形的周期，PWM0H/L决定了输出脉冲波的宽度。PWM1H/L设置的值越小，会减小PWM输出的分辨率但是会增大输出频率。
采用PWM工作模式1对ADμC831工作寄存器设置初值，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
光耦部分起到隔离和电平转换的作用，因为单片机输出的是TTL电平(0~5V)，而驱动部分采用的是IR2103，它的电源要求是10V~20V，电路中采用了12V电源，所以要求的输入电平在0~12V之间。在此选用高速光耦6N136芯片。因为6N136的绝缘电压是2500V(最小值);具有可兼容的TTL电路;逻辑低电平和逻辑高电平的传输延迟时间都是0.5μs(带宽2MHz);供电电压是－0.5V~15V，其耐压和速度都符合电路的要求。
3.3 驱动部分
电路中驱动采用的是IR2103芯片，IR2103芯片是IR公司专为驱动功率开关管而设计的，是一种高电压高速的功率MOSFET和IGBT驱动器，它有两个独立的高端和低端输出通道，一个芯片可以驱动两个MOSFET管或IGBT管。输出的浮置通道可用来驱动高端接于600V(最大)的N沟道电力MOSFET或IGBT。
IR2103具有的特点是[3]:
(1) 浮置通道具有自举电路，工作电压可达600V，抗dv/dt干扰:
(2) 驱动电压为10~20V;
(3) 低压自锁功能;
(4) 5V施密特触发逻辑;
(5) 禁止直通逻辑(一个桥的上下臂不能直通);
(6) 两个传输通道延时相同;
(7) 内部设有死区;
(8) 高端输出与HIN输入相位相同，低端输出与/LIN相位相同。
3.4 主开关元件
对于中小功率的电动机通常采用功率场效应管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)作为主开关元件，MOSFET是一种多电子导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频特性好、热稳定性优良、驱动电路简单、驱动功率小、安全工作区宽、无二次击穿问题等显著优点。目前功率场效应管的指标已经达到耐压600V，电流70A，工作频率100kHz的水平，在开关电源、办公设备、中小型功率的电机调速中得到广泛的应用。
电路中采用的功率场效应管是IR公司生产的IRF840，IR840的耐压达到500V，电流8A，工作频率15.87MHz，图中D10、D11是两个续流二极管，它们为电机电枢的反电动势提供通路。如果该电动势加在MOSFET两端，会烧毁MOSFET。从驱动芯片输出信号端到MOSFET的门极之间分别加了电阻R3、R4，它们的作用是限制电流信号，同时起阻尼作用。由于MOSFET的GS电容效应，在电阻两端反向并联快速二极管D6、D7用来放电，提高MOSFET的关断速度。
4 结论
本文设计的PWM调速装置具有电路简单，成本低廉，可靠性高、运行稳定的特点，是对于小型直流电动机调速装置的一种探讨和研究。 *博客内容为网友个人发布，仅代表博主个人观点，如有侵权请联系工作人员删除。
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