1 引言
近年來，直流電動機的結構和控制方式都發生了很大的變化。隨著計算機進入控制領域以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現，采用全控型的開關功率元件進行脈寬調制(pulse width modulation,簡稱pwm)已成為直流電動機新的調速方式。這種調速方法具有開關頻率高、低速運行穩定、動態性能優良、效率高等優點，更重要的是這種調速方式很容易在單片機控制系統中實現，因此具有很好的發展前景。
2 pwm調速原理
pwm調速方法通常采用功率場效應管作為主開關元件，通過改變開關元件的導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是主開關元件(圖1中是以mosfet為代表)，vd1和vd2是兩個續流二極管，la是濾波電感。
當開關管mosfet的柵極輸入高電平時，開關管導通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓ud，t1(s)后。柵極輸入變為低電平，開關管截止，電動機電樞兩端電壓為0。t2(s)后，柵極輸出重新變為高電平，開關管的動作重復前面的工作。這樣，對應著輸入的電平高低，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調速系統中占空比αt是一個重要參數，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速的目的。
可以采用以下方法改變占空比αt的值。
(1) 定寬調頻法:保持t1不變，只改變t2，這樣使周期(或頻率)也隨之改變。
(2) 調寬調頻法: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的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此常采用定頻調寬法來改變占空比從而改變直流電動機電樞兩端電壓。
3 電路設計思想
如圖4所示，此電路是用一個pwm調壓模塊對小功率直流電動機進行調速，電路主要由pwm脈沖波的產生，光耦隔離，驅動以及主開關元件等幾部分組成。
3.1 pwm脈沖波的產生
pwm脈沖波的產生方法有四種:
(1) 分立電子元件組成的pwm信號發生器
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，現在已經被淘汰了。
(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控制技術出現之日起，就有芯片制造商生產專用的pwm集成電路芯片，現在市場上已經有很多種型號，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信號發生功能外，還有“死區”調節功能、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，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置，使其pwm輸出口能夠自動發出pwm脈沖波，只有在改變占空比時cpu才進行干預。
在本設計中采用了第4種產生pwm脈沖波的方法，使用ad公司生產的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個數據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設置輸出波形的周期，pwm0h/l決定了輸出脈沖波的寬度。pwm1h/l設置的值越小，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換的作用，因為單片機輸出的是ttl電平(0~5v)，而驅動部分采用的是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 驅動部分
電路中驅動采用的是ir2103芯片，ir2103芯片是ir公司專為驅動功率開關管而設計的，是一種高電壓高速的功率mosfet和igbt驅動器，它有兩個獨立的高端和低端輸出通道，一個芯片可以驅動兩個mosfet管或igbt管。輸出的浮置通道可用來驅動高端接于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) 驅動電壓為10~20v;
(3) 低壓自鎖功能;
(4) 5v施密特觸發邏輯;
(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) 內部設有死區;
(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 主開關元件
對于中小功率的電動機通常采用功率場效應管(bbbbl oxide semiconductor field effect transistor,mosfet)作為主開關元件，mosfet是一種多電子導電的單極型電壓控制器件，具有開關速度快、高頻特性好、熱穩定性優良、驅動電路簡單、驅動功率小、安全工作區寬、無二次擊穿問題等顯著優點。目前功率場效應管的指標已經達到耐壓600v，電流70a，工作頻率100khz的水平，在開關電源、辦公設備、中小型功率的電機調速中得到廣泛的應用。
電路中采用的功率場效應管是ir公司生產的irf840，ir840的耐壓達到500v，電流8a，工作頻率15.87mhz，圖中d10、d11是兩個續流二極管，它們為電機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，在電阻兩端反向并聯快速二極管d6、d7用來放電，提高mosfet的關斷速度。
4 結論
本文設計的pwm調速裝置具有電路簡單，成本低廉，可靠性高、運行穩定的特點，是對于小型直流電動機調速裝置的一種探討和研究。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
