直流伺服系统PWM控制装置电气设计.doc

1、 目 录第一章 概论1. 1本次设计的主要目的及意义. . . 4 1. 2 PWM的发展现状及趋势. . 41. 3本次设计的主要工作 . . . . . .5第二章 理论与分析2.1 直流伺服驱动系统的组成原理及装置.62.2 直流电机PWM控制技术的原理. . .8第三章 直流伺服系统PWM控制装置3.1直流电机PWM闭环调速系统.153.2 PWM调速装置. .183.3 PWM控制器在直流伺服系统中的运用. .193.4 电机驱动部分.243.5装置原理图及元件安装布置图. .25第四章 PWM控制装置的安装与调试4.1 PWM控制装置的安装. .294.2 PWM控制装置的调试.3

2、1致 谢.34参考文献.35毕业设计任务书一 设计题目 直流伺服系统PWM控制装置电气设计二 设计目的1) 掌握数控机床直流PWM前置放大装置的功能。2）掌握直流PWM控制装置电路组成3）掌握前置PWM硬件设计要求。三 设计要求一台CW6132的普通车床，利用半闭环直流驱动进行X轴1） 半闭环直流PWM控制装置原理框图设计2）选择控制装置元器件3) 安装调试说明四 完成的技术资料 要求说明详细，字迹工整，原理正确，元件选择有理。图纸规范，图形清晰，符号标准，线条均匀，用计算机画图。1）设计图纸 装置原理图，元件安装布置图，接线图2）毕业设计说明书（15000，文字不少于6000字）3）设计题目

3、4）设计方案论证5）控制原理说明6）元件明细表7）设计总结及改进意见8）主要参考资料五 参考文献机床数控术基础数控技术电气自动控制原理与原理伺服系统与机床电气控制现代数控机床伺服系统及检测技术半导体器件手册第一章 概 论1.1本次设计的目的及意义本次设计的主要目的就是直流伺服系统PWM控制装置的电气设计。通过本次设计进一步了解PWM控制技术在实际中的应用，并掌握直流伺服系统PWM的原理、功能及控制装置的组成。1.2 PWM的发展现状及趋势直流伺服技术是一个正在发展中的新技术领域，具有很好的发展前景。近半个世纪以来，伺服控制技术及其系统在精密数控机床、加工中心、机人和工厂自动化等各个领域都有广泛

4、的应用。伺服控制经历了发电机一电动机系统、交磁电机、扩大机、晶闸管、集成电路和计算机等阶段的发展过程，至今已进入一个全新的时期。其主要标志在(、电气时代2003年第2期-)于全控型的电力电子器件组成的脉冲宽度调制(PWM)技术在伺服驱动中得到了广泛的应用；智能功率集成电路和数字信号处理器(DSP)的出现使得伺服系统模块化和数字化容易实现，把过去许多认为只能在理论上成立，而在实际中无法应用的控制理论实用化。当今高性能的伺服系统几乎都有计算机参与控制。随着微电子和电力电子技术的发展，促使各种伺服电机控制的智能化功率集成电路得到应用，使得这类系统正朝着数字化、模块化的方向发展。随着电力电子技术、单片

5、机和微型计算机的高速发展，外围电路元件专用集成电路的不断出现，使得直流伺服电动机控制技术有了显著进步。这些技术领域的高速发展，可以很容易地构成高精度、快响应的直流伺服系统，因而近年来世界各国在高精度、速度和位置控制场合(比如机床进给伺服系统、军用伺服系统)，都已由电力半导体驱动装置取代了电液驱动。特别是被人们誉为“未来伺服驱动装置”的晶体管脉冲宽度调制(PWM)直流伺服控制系统，受到了人们的普遍重视，从而得到迅速的发展和广泛的应用。总而言之，微电子学的突飞猛进、大规模集成电路的成批生产和微型计算机的广泛使用，使得伺服控制技术获得迅速发展。其中微处理器使现代控制理论在伺服系统中的应用得到有力的支

6、持，架起了现代控制理论通向伺服系统领域的桥梁，大大改善了控制性能。而电力电子学的最新成就，又促进了伺服系统的不断发展。展望未来，新器件、新理论和新技术必将促使伺服系统朝着智能化的方向发展，赋予人工智能特性的伺服系统以及智能控制器在近几年内必将获得广泛应用随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而本文介绍的是在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法。它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调

7、整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。随着现代电力电子技术的不断发展，人们日益意识到低功率因数整流系统造成的谐波污染和电网公害，因此提高功率因数成为整流系统的发展趋势。PWM整流器对电网不产生谐波污染，是一种真正意义上的绿色环保电力电子装置，也是解决谐波问题的根本措施。1.3本次设计的主要工作1对PWM控制技术的原理分析2半闭环直流PWM控制装置原理框图设计3控制装置的元器件选择4安装调试说明 第二章 理论与分析2.1 伺服驱动系统的组成原理及系统装置伺服驱动系统是CNC装置和机床的连接环节。CNC装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统，转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作

8、。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。伺服驱动系统的作用归纳如下：1） 伺服驱动系统能放大控制信号，具有输出功率的能力；2） 伺服驱动系统根据CNC装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。一. 组成及原理图1.伺服驱动系统框图图1所示开环伺服系统原理图。安装在滚轴丝杠上的位置检测元件把机械位移不便成位置数字量，并有位置反馈电路送到微机内部，该位置反馈量与输入微机的指令位置进行比较，如果不一致，微机送出差值信号，经驱动电路将差值信号进行变换、放大后驱动电动机，经减速装置带动工作台。当比较后的差值信号为零时，电动机停止转动，此时，工作台移动到指令所只顶的位置。图1中的测速发电机和速

9、度反馈电路组成反馈回路可实现速度恒值控制。测速发电机和伺服电动机同步旋转。假如因外负载增大而使电动机的转速下降，则测速发电机的转速下降，经速度反馈电路，把转速变化的信号转变成电信号，送给驱动电路，与输入信号进行比较，比较后的差值信号经放大后，产生较大的驱动电压，从而使电动机转速上升，恢复到原来调定转速，使电动机排除负载表动的干扰，维持转速恒定不变。该电路中，由速度反馈电路送出的转速信号是在驱动电路中进行比较，而由位置反馈电路送出的位置信号是在微机中进行比较。比较的形式也不同，速度比较是通过硬件电路完成的，而位置比较是通过微机软件实现的。图1伺服驱动系统结构原理图表示。有上图原理图及框图可知，半

10、闭环伺服驱动系统主要由以下几个部分组成：1） 驱动电路 接受微机发出的指令，并将输入信号转换成电压信号，经过功率放大后，驱动电动机旋转。转速的大小由指令控制。若要实现恒速控制功能，驱动电路应能接受速度反馈信号，将反馈信号与微机的输入信号进行比较，将差值信号作为控制信号，使电动机保持恒速转动。2） 执行元件 可以是直流电动机。交流电动机，也可以是步进电动机。3） 传动装置 包括减速箱和滚珠丝杠。4） 位置检测元件及反馈电路 位置检测元件有直线感应同步器、光栅和磁尺等。位置检测元件检测的位置信号由反馈电路转变成计算机能识别的反馈信号送入计算机，由计算机进行数据比较后送出差值信号。测速发电机及反馈电

11、路测速发电机实际上是小型发电机，发电机两端的电压值和发电机的转速成正比，故可以将转速的变化量转化为电压的变化量。二 直流伺服驱动系统装置伺服驱动系统的主要作用是把来自CNC装置的信号进行功率放大，以驱动伺服电动机转动，并根据来自CNC装置的信号指令，调节伺服电动机的速度。一般机构如图1所示。直流伺服驱动装置一般采用调压调速方式，按功率放大电路元件的不同，可分为晶闸管（SCR）直流伺服驱动系统和晶体管脉宽调制（PWM）直流伺服驱动系统两大类。图1 伺服驱动系统结构框图M 图1 伺服驱动系统结构框图2.2 直流电机PWM控制原理PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲

12、列，控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或控制电压脉冲的宽度和周期以达到变压变频目的的一种控制技术。图2.1给出PWM斩波器的工作原理电路及其输出波形。图1.1 PWM斩波器的工作原理电路及其输出波形假设V1先导通T1秒，然后又关断T2秒，如此反复进行，可得到图2.1（b）的波形图。电机电枢端的平均电压如公式2.1。（2.1）设，可定义为占空比。设定输入电压不变，越大，电机电枢端的平均电压越大，反之也成立。固改变值就可以达到调压的目的。改变有三种方法：第一种就是T1保持不变，使T2在0到之间变化，这叫定宽调频；第二种就是T2不变，使T1在0到之间变化，这叫调宽调频；第三种就是T保持一定，使

13、T1在0到T间变化，这叫定频调宽。(一) PWM技术的具体应用PWM软件法控制充电电流 本方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电流。本方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件，另外ADC的位数尽量高，单片机的工作速度尽量快。在调整充电电流前，单片机先快速读取充电电流的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。在软件PWM的调整过程

14、中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰，合理采用算术平均法等数字滤波技术。软件PWM法具有以下优缺点。 优点： 简化了PWM的硬件电路，降低了硬件的成本。利用软件PWM不用外部的硬件PWM和电压比较器，只需要功率MOSFET、续流磁芯、储能电容等元器件，大大简化了外围电路。 可控制涓流大小。在PWM控制充电的过程中,单片机可实时检测ADC端口上充电电流的大小，并根据充电电流大小与设定的涓流进行比较，以决定PWM占空比的调整方向。电池唤醒充电。单片机利用ADC端口与PWM的寄存器可以任意设定充电电流的大小，所以，对于电池电压比较低的电池，在上电后，可以采取小电流充一段时间的方式进

15、行充电唤醒，并且在小电流的情况下可以近似认为恒流，对电池的冲击破坏也较小。 缺点： 电流控制精度低。充电电流的大小的感知是通过电流采样电阻来实现的，采样电阻上的压降传到单片机的ADC输入端口，单片机读取本端口的电压就可以知道充电电流的大小。若设定采样电阻为Rsample（单位为），采样电阻的压降为Vsample（单位为mV）， 10位ADC的参考电压为5.0V。则ADC的1 LSB对应的电压值为 5000mV/10245mV。一个5mV的数值转换成电流值就是50mA，所以软件PWM电流控制精度最大为50mA。若想增加软件PWM的电流控制精度，可以设法降低ADC的参考电压或采用10位以上ADC的

16、单片机。 PWM采用软启动的方式。在进行大电流快速充电的过程中，充电从停止到重新启动的过程中，由于磁芯上的反电动势的存在，所以在重新充电时必须降低PWM的有效占空比,以克服由于软件调整PWM的速度比较慢而带来的无法控制充电电流的问题。 充电效率不是很高。在快速充电时，因为采用了充电软启动，再加上单片机的PWM调整速度比较慢，所以实际上停止充电或小电流慢速上升充电的时间是比较大的。 为了克服2和3缺点带来的充电效率低的问题，我们可以采用充电时间比较长，而停止充电时间比较短的充电方式，例如充2s停50ms，再加上软启动时的电流慢速启动折合成的停止充电时间，设定为50ms，则实际充电效率为（2000

17、ms100ms）/2000ms95，这样也可以保证充电效率在90%以上。(二) 纯硬件PWM法控制充电电流由于单片机的工作频率一般都在4MHz左右，由单片机产生的PWM的工作频率是很低的，再加上单片机用ADC方式读取充电电流需要的时间，因此用软件PWM的方式调整充电电流的频率是比较低的，为了克服以上的缺陷，可以采用外部高速PWM的方法来控制充电电流。现在智能充电器中采用的PWM控制芯片主要有TL494等,本PWM控制芯片的工作频率可以达到300kHz以上，外加阻容元件就可以实现对电池充电过程中的恒流限压作用，单片机只须用一个普通的I/O端口控制TL494使能即可。另外也可以采用电压比较器替代T

18、L494，如LM393和LM358等。采用纯硬件PWM具有以下优缺点。优点：电流精度高。充电电流的控制精度只与电流采样电阻的精度有关，与单片机没有关系。不受软件PWM的调整速度和ADC的精度限制。 充电效率高。不存在软件PWM的慢启动问题，所以在相同的恒流充电和相同的充电时间内，充到电池中的能量高。 对电池损害小。由于充电时的电流比较稳定，波动幅度很小，所以对电池的冲击很小，另外TL494还具有限压作用，可以很好地保护电池。 缺点：硬件的价格比较贵。TL494的使用在带来以上优点的同时，增加了产品的成本，可以采用LM358或LM393的方式进行克服。 涓流控制简单，并且是脉动的。电池充电结束后

19、，一般采用涓流充电的方式对电池维护充电，以克服电池的自放电效应带来的容量损耗。单片机的普通I/O控制端口无法实现PWM端口的功能，即使可以用软件模拟的方法实现简单的PWM功能，但由于单片机工作的实时性要求，其软件模拟的PWM频率也比较低，所以最终采用的还是脉冲充电的方式，例如在10%的时间是充电的，在另外90%时间内不进行充电。这样对充满电的电池的冲击较小。 (三) 单片机 PWM控制端口与硬件PWM融合 对于单纯硬件PWM的涓流充电的脉动问题，可以采用具有PWM端口的单片机，再结合外部PWM芯片即可解决涓流的脉动性。 在充电过程中可以这样控制充电电流：采用恒流大电流快速充电时，可以把单片机的

20、PWM输出全部为高电平（PWM控制芯片高电平使能）或低电平（PWM控制芯片低电平使能）；当进行涓流充电时，可以把单片机的PWM控制端口输出PWM信号，然后通过测试电流采样电阻上的压降来调整 。 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 图1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降

21、段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。 图2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。 SPWM波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。 图3 用PWM波代替正弦半波要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。 PWM电流波： 电流型逆变电

22、路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。 PWM波形可等效的各种波形： 直流斩波电路：等效直流波形 PWM波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原第三章 直流伺服系统PWM控制装置3.1 直流电机PWM闭环调速系统推出一种使用单片机的PWM直流电机闭环调速系统。本系统结构简单，价格低廉，在实际应用中效果良好。采用硬件电路实现直流电机闭环调速系统已在实践中应用多年，其硬件组成复杂，调整困难，缺乏控制的灵活性。本文介绍的直流电机PWM闭环调速系统，使用低价位的单片微机89C2051为核心，实现闭环控制，并可进行数字显示

23、和速度预置，方便了使用。电机调速采用脉宽调制方式，与晶闸管调速相比技术先进，可减少对电源的污染。本系统已用于健身跑步机调速，工作可靠，使用效果良好。图1是本系统的线路图，主要有PWM信号发生、闭环调速微机控制、直流电机驱动等几部分组成。(一) PWM 信号发生电路PWM波可由具有PWM输出的单片机(如80C198等)通过编程产生，也可采用PWM专用芯片来实现。PWM波的频率太高时，对直流电机驱动的功率管要求太高，太低时产生电磁噪声较大。实践应用中PWM波的频率在18kHz左右效果最好。经综合分析，本系统采用两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。两片比

24、较器U3、U2的A组接4040计数输出Q2Q9端，B组接单片微机的P1端口。改变P1端口的输出值，可使PWM信号的占空比产生变化，进行调速控制。计数器4040的计数输入端CLK接单片机2051晶振的振荡输出XTAL2。晶振选用18MHz时，经QOQ2的8分频，Q2Q9的256分频，产生的PWM波形的频率为176kHz，适合光耦及功率开关管的合理工作范围。计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2Q9加1，当计数值小于或等于单片机P1端口输出值X时，U2的(AB)输出端保持为低电平，当计数值大于X时U2的(AB)输出端为高电平。随着计数值的增加，Q2Q9由全“1”变为全“O”时，(AB)输出端又变为

25、低电平，这样，在U2的(AB)端得到PWM的信号，其占空比为(255-X/255)100，改变X值可改变PWM信号的占空比，进行直流电机的转速控制。使用此方法单片机只需根据调整量输出X值，PWM信号由三片通用数字电路生成，使软件大大简化，有利于单片机系统正常工作。由于单片机上电复位时P1端口输出全“1”，使用4585的B组与P1端口相连，升速时PO 端口输出X按一定规律减少，降速时按一定规律增大。(二) 单片微机闭环速度控制电路本系统的闭环控制选用低价位的单片机89C2051，与带PWM输出的80C552及80C198相比，无需外扩EPROM，且价格低的多。2051单片机片内有2K的flash

26、程序存储器，15个I/O 口，两路16位的定时/计数器，指令及中断系统与8031兼容，给闭环速度控制带来很大的灵活性。闭环速度控制中传感器选用霍尔传感器，小磁钢固定在被测转轴上，每转一周输出一个脉冲信号。转速脉冲信号经施密特触发器U6-1，U6-2整形后，输入到2051单片机的INTO中断口P32端口上。软件设置INTO为下降沿中断，进入中断服务程序后开启定时/计数器O进行定时，测出每转的周期，再由软件计算出控制值X，由P1端口输出PWM波占空比的控制数。软件中还可进行显示线速度或角速度的转换计算，由八位驱码驱动器带动LED数码管进行显示。预置速度由按S1、S2输入，进行“+”“ -”控制，预

27、置数也由LED数码管显示。显示使用了高集成度的MAX7219串行LED显示驱动器，带动八位LED数码管进行显示，前四位显示当前运行速度，后四位显示预置速度。MAX7219是24脚窄封装芯片，串行口工作频率最高10MHz，八位LED显示，通过对译码模式寄存编程，可控制各位显示方式(BCD码或非译码)，显示是片内动态扫描模式，通过一个电阻和编程可控制亮度，并可多个芯片串联显示多达64位共阴极LED数码管。 MAX7219的数据输入端DIN、时钟端CLK、数据锁定端L分别与2051单片机的P3.0、P3.1、P3.5端口相接。改变电阻R6的阻值可调整显示亮度，R6取值在3.910kQ之间。使用MAX

28、7219不仅可减少硬件电路，由于是片内动态扫描显示，并可降低功耗和简化软件设计。2051单片微机的上电复位使用了MAX812电压监控器，上电时约有200 ms的延迟，以保证复位正常进行。为了防止掉电后预置数丢失，使用了使用备用电池保护2051单片机片内RAM数值。电源经变压整流后，一路经DC-AC开关电源输出5V直流电压给单片机系统供电，一路经三端稳压元件7812稳压输出12V电压供驱动大功率开关管使用。单片机系统电源与驱动电路部分电源隔离，以提高系统工作的可靠性和安全性。(三) 直流电机驱动系统电路U2生成的PWM信号经施密特反相器U6-3驱动光电耦合器O1，送至直流电机驱动电路。大功率开关

29、管选用N沟道VMOS功率场效应管，它为压控元件，具有很高的输入阻抗，因而驱动功率很小，对驱动电路要求也较低。经光电耦合器传送的PWM信号，经并联使用的六施密特反相器，接到VMOS功率管Y1的栅极上，直接驱动即可。稳压管D4和电阻R8起保护作用。VMOS功率管的源极接直流电机绕组，经感抗器接电机直流电源负端。漏极接电机直流电源正端。快速关断二极管D3起保护作用，消除VMOS功率管开关过程由电机绕组产生的感生电势。电源是交流电压经C7、ZL、C8组成的滤波器后，由高压桥整流器件Z2整流，高压电解电容滤波后供VMOS功率管。VMOS功率管，快速关断二极管及高压电解电容器及整流桥等根据选用直流电机的电

30、压、功率等要求确定相应型号和参数。3.2 PWM调速装置PWM驱动装置与一般晶闸管驱动装置像比较具有下列特点1） 需用的大功率可控器件少，线路简单。例如，在不可逆无制动PWM驱动装置中仅用一个大功率晶体管，而在晶闸管驱动装置中至少要用三个晶闸管（指三相），在可逆桥式（H）型PWM驱动装置中仅用四个大功率晶体管，而晶闸管驱动装置哦中则至少要用六个，从而简化了系统的功率转换电路极其驱动电路，使得晶体管PWM驱动装置的线路较晶闸管驱动装置的简单。2） 调速范围宽。 PWM驱动装置与宽调速直流伺服电动机配合，可获得600010000r/min的调速范围，而一般晶闸管驱动装置的调速范围仅能达到10015

31、0r/min如果采取低速自适应控制或锁相环控制等措施，也能达到600010000r/min,但其线路要比PWM系统复杂的多。3） 快速性好。在快速性上，PWM系统也优化晶闸管系统。主要是调制频率高（1-10kHz），失控时间小，可减小系统的时间常数，是系统的频带加宽，动态速降小，恢复时间短，动态硬度好。PWM驱动装置的电压增益不随输出电压变化而变化，故系统的线性度好。4） 电流波形系数好，附加损耗小。由于PWM调制频率高，不需平波电抗器就能获得脉动很小的直流电流，波形系数约等于1。因而电枢电流脉动分量对电动机转速的影响以及由它引起的附加损耗都小。5） 功率因数高，对用户使用有利。PWM驱动装置

32、是把交流电经全波整流成一个固定的直流电压，在对它进行脉宽调制，因而交流电源测的功率因数高，系统 工作在电网干扰小。在一个多轴机床上，可将几套PWM驱动装置组合为一个单元，其公共组件、电源供给及某些控制线路可以公用。表1列出了PWM系统与晶闸管系统的比较。此外，PWM驱动装置还具有下列优点：同晶体管线性功率放大 像比，效率 高功耗小，同同交磁电机扩大机驱动相比，体积小，重量轻，寿命长，频带宽，滞后小；同电液驱动相比，维护方便，性能价格比优良，非线性小，受环境影响的敏感度低。总而言之，PWM驱动装置集优点与一身，可以说它是目前一种颇为理想的伺服功率驱动装置 。 3.3 PWM控制器在直流伺服系统中

33、的运用介绍一种基于专用PWM（脉宽调制）控制器UC1637 的直流位置伺服控制系统，对其中的系统原理、UC1637、功率转换电路、保护电路、位置检测、电磁兼容性设计等内容进行了详细的讨论。该系统可靠性高、成本低、广阔的应用前景。近年来，现代直流PWM 控制技术得到了显著的发展，而且发展潜力仍然相当大，尤其在低功耗、高精度、快速响应伺服控制领域应用相当广泛，特别适合在涉及感性负载的地方。通常来说PWM 控制信号的产生有四种方法，即：分力电子元件组合产生PWM 信号、软件模拟法获得PWM 法、专用PWM 集成电路和单片机提供的PWM 口，其中方法一是最早期的方法，现已基本被淘汰；方法二需要占用CP

34、U 大量时间，资源耗费量大，因此也逐渐被淘汰；方法三与方法四为当前应用的主流，各有特色，满足用户不同需求。目前，许多国外知名厂商开发生产了针对不同应用场合的专用PWM 集成电路，如美国TI 公司的UC1637，该芯片为一款比较成熟的直流电动机双PWM 开关型控制器，适用于开环或闭环直流电动机控制，包括速度控制、位置控制及步进电动机电流细分控制等。在本文设计的直流伺服位置控制系统中，采用TI 公司的UC1637 芯片作为PWM 控制器，从结构设计角度来讲，UC1637 提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力。(一) 系统原理概述系统主要由以下几部分组成，其中PWM 控制器UC1637 模块为总控

35、制中心，接收指令输入电路的指令信号、电流检测电路和位置检测电路的反馈信号，指令信号与位置反馈信号比较生成相应的PWM 信号，输出到H 型功率转换电路，转换放大后控制直流电动机旋转，带动减速器，实现低速、大力矩的输出，作用到负载，完成特定任务。另外，电流检测电路一方面检测过流信号，保护控制系统；另一方面与位置环组合形成双闭环，改善系统动态特性。如图1 所示。图1：位置伺服系统的基本组成框图(二) 专用PWM 控制器UC1637UC1637 可由单电源或双电源供电，范围为2.520V，输出双路PWM 信号，驱动电流能力为100mA，最大电流高达500mA，具有限流保护、欠电压锁定、温度补偿2.5V

36、 阈值的关机控制等特点。UC1637 基本原理框图如图2 所示，它主要由三角波发生器、PWM 比较器、输出控制门、限流电路、误差放大器、关机比较器及欠电压锁定电路七部分组成，下面分别扼要给予介绍。（1）三角波发生器：包括两个比较器CP 和CN，一个切换开关S1 及一个触发器SR1。只需外围接几个电阻和电容，通过对电容的充放电来选择CP 和CN 二者中哪个起作用，不同的比较器输出导致触发器SR1不同的状态，复位或置位，从而控制开关S1 开通或关断，产生三角波，三角波电压信号峰-峰值及频率仅取决于外部所选电阻和电容；（2）PWM 比较器：包括两个比较器CA 和CB，两比较器可被设置输出相关于三角波

37、的双PWM 信号，PWM信号互为反相，并且在二者前后沿均可设置死区时间；（3）输出控制门：包括两个具有使能端的与非门NA 和NB，内部各种保护均通过这两个与非门来控制PWM 信号的输出；（4）限流电路：包括一个比较器CL、两个触发器SRA 和SRB，其中比较器CL 设有200mV 的阈值，采集到的信号与此阈值比较确定SRA 和SRB 的状态，去控制输出控制门；（5）误差放大器：该放大器EA 完全独立于内部电路，为一个高速运算放大器，典型带宽为2MHz，输出阻抗低；（6）关机比较器：该比较器CS 设有2.5V 阈值，可用来延时起动及保护控制；（7）欠电压锁定电路：欠电压锁定电路UVL，在电源电压

38、低于4V 时起作用，锁定输出信号为低电平。（三）H 桥型双极模式功率转换电路功率转换电路设计与实现为本系统的关键难点，原因在于：一方面功率转换电路是伺服系统的核心部分之一，其元器件选型、质量、工作条件直接影响着整个系统的技术性能和工作可靠性；另一方面工作在低电压大电流状态下，而且功率器件功率场效应管（MOSFET）和功率晶体管（GTR）均工作在开关模式下，即饱和和截止状态，必须协调开通截止时间，来避免H 桥同侧直通。当前H 桥型功率转换电路具有直通自保护功能；工作频率可达30kHz；而且工作电压可以为单电源，也可以为双电源，仅需要改变几个器件便可实现。另外，如上所述功率器件工作在开关状态，因此

39、功耗小。另外，值得强调的是在尽量选择开关时间小的高速管同时，需要十分注意各管的饱和深度，这直接影响着开关时间及死区保护时间。功率电路中四个MOSFET 管漏-源极间续流二极管不可缺少，本系统中选择内置有续流二极管的MOSFET 管的同时，增加外部续流二极管，来进一步减小续流时间；而且四个GTR 管极电极-发射极间稳压二极管在供电电源较大的情况下必须考虑，目的是避免MOSFET 管栅-源间压降超限。(四)系统保护电路（1）H 型双极模式功率转换电路直通保护上述H 型双极模式功率转换电路特点决定了，避免同侧桥臂直通保护不可或缺，系统中主要通过死区设定来实现，而且可通过两种简易的方法来改变死区，但是

40、死区存在又会降低效率，在满足保护要求的前提下，应尽量缩短死区。（2）过电流保护PWM 系统实现电流保护对电流检测元件的实时性要求较高，必须具有良好的频响特性和极小的延迟时间。通常有标准电阻实时取样和霍尔效应电流检测两种方法，考虑到前者简单可靠、阻值稳定、精度高、频响好、输出电压与流过的电流直接成比例、完全胜任本系统，而后者往往较贵、体积大，故采用前者。（3）欠电压/过电压保护直流位置伺服系统中许多环节要求欠电压/过电压保护，如PWM 控制器UC1637 工作电压为一个范围，电压必须在范围内。欠电压保护通过PWM 控制器欠电压封锁电路和关机比较器来实现。电机高速制动引起的泵升电压或控制电源过电压

41、，均可能引起故障，系统针对此采用了相应的抑制电路。而对于由感性负载或电源导致的浪涌电压利用压敏电阻加以解决。（4）抑制启动电流系统中的电机，电枢电阻较小，其启动电流过大，使电机的过电流保护装置动作，切断PWM 信号，以致不能启动。一方面，本系统可提供两路PWM 信号，实现差动控制电机，意味着即使控制输入信号为零，电机不转，电枢回路中仍有按一定频率交变的电流。因此电机处于微振状态，一定程度上克服了系统摩擦，提高了响应灵敏度，从而减小了启动电流。另一方面，采用电枢回路串联电阻的办法来限制电流，电机转动起来后，将电阻短路。(五)位置检测基于PWM 的直流位置伺服系统，位置传感器不得不靠近冲击振动的环

42、节，因此选用精度高、耐磨性好、抗振动的电位器。(六)电磁兼容性设计伺服系统中存在的电磁干扰，主要来源于以下几方面：首先，由于功率转换电路中的MOSFET 管工作在较高频率的开关状态，产生较高的电流和电压的变化；其次，级间耦合等。为此，系统主要采取如下措施：（1）电路板布局上，将PWM 控制电路与功率转换电路分开，并将两部分的供电电源隔离，模拟地与功率地分开；（2）加去耦电容及滤波电路；（3）电机上设置RC 干扰抑制电路； 3.4 电机驱动部分在上文的方案选择中我们已经确定电机的驱动部分采用L298。L298及其外围电路硬件图如下图4.1。图4.1 L298及其外围电路硬件图由上图可以看出，L2

43、98及其外围电路比较简单。其中ENABLE、PWM和DIRECTION三路信号由控制电路部分给出。单片机输出的PWM信号经过一个反相器变成我们上图中的信号。在使用过程中，我们把L298内部的两个桥式驱动器并联使用，这图3.2 L298的内部结构图样可以提高直流电动机的供电电流的极限值，使直流电动机的持续工作电流最高可达到4A。现在我们可以通过L298的内部结构图（图4.2），分析一下L298实现的功能。当ENABLE输入为低电平时，L298内的8个开关管都不会导通，L298没输出。当ENABLE输入为高电平时，可由图4.3看出8个开关管根据输入端信号的变化而变化的情况。在时序图中我们可以见到PWM波形的占空比由40%到80%到60%的变化。在ENABLE输入为高电平的情况下，当DIRECTION输入为低电平时，可以见到与一直导通，其对应下臂桥与一直截止。这过程中与一直与PWM波形变化一致。这时电机正转，并且可以根据PWM控制信号变化方向进行调速控制； 当DIRECTION输入为高电平时，可以见到与一直导通，其对应下臂桥与一直截止。这过程中与一直与PWM波形变化一致。这时电机反转，并且同样可以根据PWM控制信号变化方向进行调速控制。对于L29