電動機分為交流電機和直流電機兩大類。長期以來，直流電機以其良好的線性特性、優異的控制性能、較強的過載能力成為大多數變速運動控制和閉環位置伺服控制系統的最佳選擇，一直處在調速領域主導地位。傳統的直流電機調速方法很多，如調壓調速、弱磁調速等，它們存在著調速響應慢、精度差、調速裝置復雜等缺點。隨著全控式電力電子器件技術的發展， 以大功率晶體管作為開關器件的直流脈寬調制（PWM）調速系統已成為直流調速系統的主要發展方向。
為配套24V直流電機，設計了一種直流無刷電機驅動器。采用美國Microchip公司的PIC16F690單片機作為控制器， MOSFET為驅動元件， 配以相應的控制軟件構成控制系統。實踐表明，整個系統的精度、快速性以及可靠性等指標都能滿足實際需求。
1 PWM 直流調速原理
在PWM 調速系統中，一般可以采用定寬調頻、調寬調頻、定頻調寬3 種方法改變控制脈沖的占空比，但是前兩種方法在調速時改變了控制脈寬的周期，從而引起控制脈沖頻率的改變， 當該頻率與系統的固有頻率接近時將會引起振蕩。為避免之，設計采用定頻調寬改變占空比的方法來調節直流電動機電樞兩端電壓。
定頻調寬法的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開電源，并根據需要改變一個周期內接通和斷開的時間比（占空比）來改變直流電機電樞上電壓的占空比，從而改變平均電壓，控制電機的轉速。在PWM 調速系統中，當電機通電時其速度增加，電機斷電時其速度減低。只要按照一定的規律改變通、斷電的時間，即可控制電機轉速。而且采用PWM 技術構成的無級調速系統，啟停時對直流系統無沖擊， 并且具有啟動功耗小、運行穩定的優點。為了說明問題，現假定電機始終接通電源時，電機最大轉速為Vmax, 占空比為D = t /T, 則電機的平均速度Vd = D*Vmax, 由公式可知，當改變占空比D = t /T 時，就可以得到不同的電機平均速度Vd,從而達到調速的目的。
在一般應用中，可將平均速度與占空比D 近似地看成線性關系。
2 系統硬件設計
2.1 總體設計原理
系統要求電機能夠按照設定值運轉，并能實現正反轉控制，根據直流電機的PWM 控制要求，控制系統的硬件部分主要包括單片機控制電路、光電隔離電路、驅動電路等幾個部分，系統的硬件原理框圖，如圖1所示。控制信號送入PIC 單片機模擬口，經過處理后，輸出PWM控制脈沖，為了提高系統的抗干擾性，在單片機控制電路和電機驅動電路之間用光電耦合器（ TLP521） 實現電氣隔離， 隔離后的控制信號經電機驅動邏輯電路產生電機邏輯控制信號， 分別控制H橋的上下臂，從而實現電機的正反轉和調速的目的， 同時電機的轉速能通過編碼器反饋給單片機， 實現速度的閉環控制。
圖1 控制系統原理框圖
2.2 控制電路
在單片機控制電路設計中， 選用美國Microchip公司的PIC16F690單片機， 與其他系列單片機相比， 它的最大優點表現在引腳少、功能強、可直接帶LED負載； 具有低耗能工作方式， 較簡便地實現掉電保護；外圍配置簡單、明晰、提高了整機的可靠性； 并且具有較強的抗干擾性， 大大提高了抵御外界的電磁干擾和本機控制電路的電磁干擾的能力， 從而提高了工業電腦自動控制器的適應能力。
設計中， 要求電壓和電流信號都能作為控制信號， 達到控制電機的轉向及轉速目的， 為此先設計了一個電流/電壓轉換電路， 如圖2所示。若輸入4~20mA 控制電流， 則可以在采樣電阻R44上形成0 4~2 V 的電壓值， 輸入到單片機中進行處理。在采樣電阻的兩端并聯一個瞬態二極管， 起到保護的作用， 電容的存在可以起到濾波作用， 令輸入到單片機的電壓信號更加穩定。
圖2 電流/電壓轉換電路
由于電機在正常工作時對電源的干擾很大， 如果只用一組電源會影響單片機的正常工作， 所以選用雙電源供電。電源系統采用DC /DC 轉換芯片IB1215LS- 1W 和IB1209LS - 1W, 電路設計， 如圖3 所示。
為防止瞬時輸入電壓過大， 在電源入口放置穩壓芯片7818, 再經過瞬態二極管的降壓， 最后進入DC /DC芯片， 得到兩路電壓15 V 和9 V, 電感L 1 和L2 的作用是組成 LC濾波網絡， 可以進一步減少輸入輸出紋波， 利用這兩路電壓經過三端穩壓芯片78L05就可以得到需要的5 V和+ 5 V 兩路電源系統， 分別給單片機控制電路和驅動電路供電。
圖3 系統的電源電路設計
2.3 驅動電路
由于功率MOSFET 是壓控元件， 具有輸入阻抗大、開關速度快、無二次擊穿現象等特點， 滿足高速開關動作需求， 因此采用IR 公司的場效應管IRF9540和IRF540構成H 橋電路的橋臂。H 橋電路中的4個功率MOSFET 分別采用n溝道型和p溝道型， 設計的電路原理， 如圖4所示。
數字電平上下跳變時， 集成電路耗電發生突變，引起電源產生毛刺。數字電路越復雜， 數據速率越高， 累計的電流跳變越強烈， 高頻分量越豐富， 而普通印刷電路板不能完全吸收邏輯電平跳變產生的電壓毛刺， 這種噪聲會嚴重干擾電路。為了實現模擬電路和數字電路的隔離， 提高信噪比， 有效的抑制噪聲對模擬電路的干擾， 在PWM 信號從控制系統引出之后， 需要經過光電隔離， 才能送入驅動電路。在不影響驅動器整體性能的前提下， 使用TLP521- 1光電耦合器， 主要考慮的是價格因素。
運放2902在電路中用作比較器， 把輸入邏輯信號同基準電壓比較， 轉換成接近功率電源電壓幅度的方波信號。運放的輸入電壓范圍不能接近負電源電壓， 否則會出錯。因此在運放輸入端增加了防止電壓范圍溢出的二極管D 13。輸入端的電阻R 50用于限流，R66用于在輸入懸空時把輸入端降為低電平。
當運放2902 輸出端為低電平時， 三極管Q25截止， 場效應管Q23導通。三極管Q16導通， 場效應管Q19截止， 輸出為高電平。當運放輸出端為高電平時，三極管Q25導通， 場效應管Q23截止。三極管Q16截止， 場效應管Q19導通， 輸出為低電平。
圖4 基于MOSFET的驅動電路設計
3 系統軟件設計
軟件設計采用匯編語言編寫， 在M plab集成開發環境中進行編譯、仿真， 用軟件來實現硬件的功能，不但可以降低成本， 提高系統的可靠性， 還能簡化硬件結構， 但其缺點是響應時間比用硬件實現長， 而且還要占用CPU 時間。設計過程中， 在滿足可行性和實時性的前提下盡可能地將硬件功能用軟件來實現， 系統主程序流程圖， 如圖5所示。
圖5 控制系統主程序流程圖
4 結語
干擾現象是電路調試和設計時必須考慮和重點解決的問題， 不同電路其干擾源千差萬別， 干擾傳播途徑也多種多樣， 干擾現象也各不相同， 但它們仍有共性。系統在設計和調試中就考慮了這些共性因素， 并結合具體工作環境和各部分功能電路， 采取了必要的抗干擾措施， 具體有如下幾點：
（1）合理布置電源濾波、退耦電容；
（2）分區布局， 將數字電路與模擬電路分開；
（3）合理設計地線；
（4）電流通路的面積最小；
（ 5）盡量加粗接地線和電源線；
在控制系統設計中， 將控制電路和驅動電路分兩塊板布局， 其中驅動板的PCB 設計， 如圖6 所示，經實驗證明， 抗干擾措施取得了較理想的效果。
圖6 驅動電路PCB板設計圖