1、.目 錄第一章 概論1. 1本次設計的主要目的及意義. . . 4 1. 2 PWM的發展現狀及趨勢. . 41. 3本次設計的主要工作 . . . . . .5第二章 理論與分析2.1 直流伺服驅動系統的組成原理及裝置.62.2 直流電機PWM控制技術的原理. . .8第三章 直流伺服系統PWM控制裝置3.1直流電機PWM閉環調速系統.153.2 PWM調速裝置. .183.3 PWM控制器在直流伺服系統中的運用. .193.4 電機驅動部分.243.5裝置原理圖及元件安裝布置圖. .25第四章 PWM控制裝置的安裝與調試4.1 PWM控制裝置的安裝. .294.2 PWM控制裝置的調試.3

2、1致 謝.34參考文獻.35畢業設計任務書一 設計題目 直流伺服系統PWM控制裝置電氣設計二 設計目的1) 掌握數控機床直流PWM前置放大裝置的功能。2）掌握直流PWM控制裝置電路組成3）掌握前置PWM硬件設計要求。三 設計要求一臺CW6132的普通車床，利用半閉環直流驅動進行X軸1） 半閉環直流PWM控制裝置原理框圖設計2）選擇控制裝置元器件3) 安裝調試說明四 完成的技術資料 要求說明詳細，字跡工整，原理正確，元件選擇有理。圖紙規范，圖形清晰，符號標準，線條均勻，用計算機畫圖。1）設計圖紙 裝置原理圖，元件安裝布置圖，接線圖2）畢業設計說明書（15000，文字不少于6000字）3）設計題目

3、4）設計方案論證5）控制原理說明6）元件明細表7）設計總結及改進意見8）主要參考資料五 參考文獻機床數控術基礎數控技術電氣自動控制原理與原理伺服系統與機床電氣控制現代數控機床伺服系統及檢測技術半導體器件手冊第一章 概 論1.1本次設計的目的及意義本次設計的主要目的就是直流伺服系統PWM控制裝置的電氣設計。通過本次設計進一步了解PWM控制技術在實際中的應用，并掌握直流伺服系統PWM的原理、功能及控制裝置的組成。1.2 PWM的發展現狀及趨勢直流伺服技術是一個正在發展中的新技術領域，具有很好的發展前景。近半個世紀以來，伺服控制技術及其系統在精密數控機床、加工中心、機人和工廠自動化等各個領域都有廣泛

4、的應用。伺服控制經歷了發電機一電動機系統、交磁電機、擴大機、晶閘管、集成電路和計算機等階段的發展過程，至今已進入一個全新的時期。其主要標志在(、電氣時代2003年第2期-)于全控型的電力電子器件組成的脈沖寬度調制(PWM)技術在伺服驅動中得到了廣泛的應用；智能功率集成電路和數字信號處理器(DSP)的出現使得伺服系統模塊化和數字化容易實現，把過去許多認為只能在理論上成立，而在實際中無法應用的控制理論實用化。當今高性能的伺服系統幾乎都有計算機參與控制。隨著微電子和電力電子技術的發展，促使各種伺服電機控制的智能化功率集成電路得到應用，使得這類系統正朝著數字化、模塊化的方向發展。隨著電力電子技術、單片

5、機和微型計算機的高速發展，外圍電路元件專用集成電路的不斷出現，使得直流伺服電動機控制技術有了顯著進步。這些技術領域的高速發展，可以很容易地構成高精度、快響應的直流伺服系統，因而近年來世界各國在高精度、速度和位置控制場合(比如機床進給伺服系統、軍用伺服系統)，都已由電力半導體驅動裝置取代了電液驅動。特別是被人們譽為“未來伺服驅動裝置”的晶體管脈沖寬度調制(PWM)直流伺服控制系統，受到了人們的普遍重視，從而得到迅速的發展和廣泛的應用。總而言之，微電子學的突飛猛進、大規模集成電路的成批生產和微型計算機的廣泛使用，使得伺服控制技術獲得迅速發展。其中微處理器使現代控制理論在伺服系統中的應用得到有力的支

6、持，架起了現代控制理論通向伺服系統領域的橋梁，大大改善了控制性能。而電力電子學的最新成就，又促進了伺服系統的不斷發展。展望未來，新器件、新理論和新技術必將促使伺服系統朝著智能化的方向發展，賦予人工智能特性的伺服系統以及智能控制器在近幾年內必將獲得廣泛應用隨著電子技術的發展，出現了多種PWM技術，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而本文介紹的是在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法。它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協調變化。可以通過調

7、整PWM的周期、PWM的占空比而達到控制充電電流的目的。隨著現代電力電子技術的不斷發展，人們日益意識到低功率因數整流系統造成的諧波污染和電網公害，因此提高功率因數成為整流系統的發展趨勢。PWM整流器對電網不產生諧波污染，是一種真正意義上的綠色環保電力電子裝置，也是解決諧波問題的根本措施。1.3本次設計的主要工作1對PWM控制技術的原理分析2半閉環直流PWM控制裝置原理框圖設計3控制裝置的元器件選擇4安裝調試說明 第二章 理論與分析2.1 伺服驅動系統的組成原理及系統裝置伺服驅動系統是CNC裝置和機床的連接環節。CNC裝置發出的控制信息，通過伺服驅動系統，轉換成坐標軸的運動，完成程序所規定的操作

8、。伺服驅動系統是數控機床的重要組成部分。伺服驅動系統的作用歸納如下：1） 伺服驅動系統能放大控制信號，具有輸出功率的能力；2） 伺服驅動系統根據CNC裝置發出的控制信息對機床移動部件的位置和速度進行控制。一. 組成及原理圖1.伺服驅動系統框圖圖1所示開環伺服系統原理圖。安裝在滾軸絲杠上的位置檢測元件把機械位移不便成位置數字量，并有位置反饋電路送到微機內部，該位置反饋量與輸入微機的指令位置進行比較，如果不一致，微機送出差值信號，經驅動電路將差值信號進行變換、放大后驅動電動機，經減速裝置帶動工作臺。當比較后的差值信號為零時，電動機停止轉動，此時，工作臺移動到指令所只頂的位置。圖1中的測速發電機和速

9、度反饋電路組成反饋回路可實現速度恒值控制。測速發電機和伺服電動機同步旋轉。假如因外負載增大而使電動機的轉速下降，則測速發電機的轉速下降，經速度反饋電路，把轉速變化的信號轉變成電信號，送給驅動電路，與輸入信號進行比較，比較后的差值信號經放大后，產生較大的驅動電壓，從而使電動機轉速上升，恢復到原來調定轉速，使電動機排除負載表動的干擾，維持轉速恒定不變。該電路中，由速度反饋電路送出的轉速信號是在驅動電路中進行比較，而由位置反饋電路送出的位置信號是在微機中進行比較。比較的形式也不同，速度比較是通過硬件電路完成的，而位置比較是通過微機軟件實現的。圖1伺服驅動系統結構原理圖表示。有上圖原理圖及框圖可知，半

10、閉環伺服驅動系統主要由以下幾個部分組成：1） 驅動電路 接受微機發出的指令，并將輸入信號轉換成電壓信號，經過功率放大后，驅動電動機旋轉。轉速的大小由指令控制。若要實現恒速控制功能，驅動電路應能接受速度反饋信號，將反饋信號與微機的輸入信號進行比較，將差值信號作為控制信號，使電動機保持恒速轉動。2） 執行元件 可以是直流電動機。交流電動機，也可以是步進電動機。3） 傳動裝置 包括減速箱和滾珠絲杠。4） 位置檢測元件及反饋電路 位置檢測元件有直線感應同步器、光柵和磁尺等。位置檢測元件檢測的位置信號由反饋電路轉變成計算機能識別的反饋信號送入計算機，由計算機進行數據比較后送出差值信號。測速發電機及反饋電

11、路測速發電機實際上是小型發電機，發電機兩端的電壓值和發電機的轉速成正比，故可以將轉速的變化量轉化為電壓的變化量。二 直流伺服驅動系統裝置伺服驅動系統的主要作用是把來自CNC裝置的信號進行功率放大，以驅動伺服電動機轉動，并根據來自CNC裝置的信號指令，調節伺服電動機的速度。一般機構如圖1所示。直流伺服驅動裝置一般采用調壓調速方式，按功率放大電路元件的不同，可分為晶閘管（SCR）直流伺服驅動系統和晶體管脈寬調制（PWM）直流伺服驅動系統兩大類。圖1 伺服驅動系統結構框圖M 圖1 伺服驅動系統結構框圖2.2 直流電機PWM控制原理PWM控制技術是利用半導體開關器件的導通和關斷，把直流電壓變成電壓脈沖

12、列，控制電壓脈沖的寬度或周期以達到變壓目的，或控制電壓脈沖的寬度和周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術。圖2.1給出PWM斬波器的工作原理電路及其輸出波形。圖1.1 PWM斬波器的工作原理電路及其輸出波形假設V1先導通T1秒，然后又關斷T2秒，如此反復進行，可得到圖2.1（b）的波形圖。電機電樞端的平均電壓如公式2.1。（2.1）設，可定義為占空比。設定輸入電壓不變，越大，電機電樞端的平均電壓越大，反之也成立。固改變值就可以達到調壓的目的。改變有三種方法：第一種就是T1保持不變，使T2在0到之間變化，這叫定寬調頻；第二種就是T2不變，使T1在0到之間變化，這叫調寬調頻；第三種就是T保持一定，使

13、T1在0到T間變化，這叫定頻調寬。(一) PWM技術的具體應用PWM軟件法控制充電電流 本方法的基本思想就是利用單片機具有的PWM端口，在不改變PWM方波周期的前提下，通過軟件的方法調整單片機的PWM控制寄存器來調整PWM的占空比，從而控制充電電流。本方法所要求的單片機必須具有ADC端口和PWM端口這兩個必須條件，另外ADC的位數盡量高，單片機的工作速度盡量快。在調整充電電流前，單片機先快速讀取充電電流的大小，然后把設定的充電電流與實際讀取到的充電電流進行比較，若實際電流偏小則向增加充電電流的方向調整PWM的占空比；若實際電流偏大則向減小充電電流的方向調整PWM的占空比。在軟件PWM的調整過程

14、中要注意ADC的讀數偏差和電源工作電壓等引入的紋波干擾，合理采用算術平均法等數字濾波技術。軟件PWM法具有以下優缺點。 優點： 簡化了PWM的硬件電路，降低了硬件的成本。利用軟件PWM不用外部的硬件PWM和電壓比較器，只需要功率MOSFET、續流磁芯、儲能電容等元器件，大大簡化了外圍電路。 可控制涓流大小。在PWM控制充電的過程中,單片機可實時檢測ADC端口上充電電流的大小，并根據充電電流大小與設定的涓流進行比較，以決定PWM占空比的調整方向。電池喚醒充電。單片機利用ADC端口與PWM的寄存器可以任意設定充電電流的大小，所以，對于電池電壓比較低的電池，在上電后，可以采取小電流充一段時間的方式進

15、行充電喚醒，并且在小電流的情況下可以近似認為恒流，對電池的沖擊破壞也較小。 缺點： 電流控制精度低。充電電流的大小的感知是通過電流采樣電阻來實現的，采樣電阻上的壓降傳到單片機的ADC輸入端口，單片機讀取本端口的電壓就可以知道充電電流的大小。若設定采樣電阻為Rsample（單位為），采樣電阻的壓降為Vsample（單位為mV）， 10位ADC的參考電壓為5.0V。則ADC的1 LSB對應的電壓值為 5000mV/10245mV。一個5mV的數值轉換成電流值就是50mA，所以軟件PWM電流控制精度最大為50mA。若想增加軟件PWM的電流控制精度，可以設法降低ADC的參考電壓或采用10位以上ADC的

16、單片機。 PWM采用軟啟動的方式。在進行大電流快速充電的過程中，充電從停止到重新啟動的過程中，由于磁芯上的反電動勢的存在，所以在重新充電時必須降低PWM的有效占空比,以克服由于軟件調整PWM的速度比較慢而帶來的無法控制充電電流的問題。 充電效率不是很高。在快速充電時，因為采用了充電軟啟動，再加上單片機的PWM調整速度比較慢，所以實際上停止充電或小電流慢速上升充電的時間是比較大的。 為了克服2和3缺點帶來的充電效率低的問題，我們可以采用充電時間比較長，而停止充電時間比較短的充電方式，例如充2s停50ms，再加上軟啟動時的電流慢速啟動折合成的停止充電時間，設定為50ms，則實際充電效率為（2000

17、ms100ms）/2000ms95，這樣也可以保證充電效率在90%以上。(二) 純硬件PWM法控制充電電流由于單片機的工作頻率一般都在4MHz左右，由單片機產生的PWM的工作頻率是很低的，再加上單片機用ADC方式讀取充電電流需要的時間，因此用軟件PWM的方式調整充電電流的頻率是比較低的，為了克服以上的缺陷，可以采用外部高速PWM的方法來控制充電電流。現在智能充電器中采用的PWM控制芯片主要有TL494等,本PWM控制芯片的工作頻率可以達到300kHz以上，外加阻容元件就可以實現對電池充電過程中的恒流限壓作用，單片機只須用一個普通的I/O端口控制TL494使能即可。另外也可以采用電壓比較器替代T

18、L494，如LM393和LM358等。采用純硬件PWM具有以下優缺點。優點：電流精度高。充電電流的控制精度只與電流采樣電阻的精度有關，與單片機沒有關系。不受軟件PWM的調整速度和ADC的精度限制。 充電效率高。不存在軟件PWM的慢啟動問題，所以在相同的恒流充電和相同的充電時間內，充到電池中的能量高。 對電池損害小。由于充電時的電流比較穩定，波動幅度很小，所以對電池的沖擊很小，另外TL494還具有限壓作用，可以很好地保護電池。 缺點：硬件的價格比較貴。TL494的使用在帶來以上優點的同時，增加了產品的成本，可以采用LM358或LM393的方式進行克服。 涓流控制簡單，并且是脈動的。電池充電結束后

19、，一般采用涓流充電的方式對電池維護充電，以克服電池的自放電效應帶來的容量損耗。單片機的普通I/O控制端口無法實現PWM端口的功能，即使可以用軟件模擬的方法實現簡單的PWM功能，但由于單片機工作的實時性要求，其軟件模擬的PWM頻率也比較低，所以最終采用的還是脈沖充電的方式，例如在10%的時間是充電的，在另外90%時間內不進行充電。這樣對充滿電的電池的沖擊較小。 (三) 單片機 PWM控制端口與硬件PWM融合 對于單純硬件PWM的涓流充電的脈動問題，可以采用具有PWM端口的單片機，再結合外部PWM芯片即可解決涓流的脈動性。 在充電過程中可以這樣控制充電電流：采用恒流大電流快速充電時，可以把單片機的

20、PWM輸出全部為高電平（PWM控制芯片高電平使能）或低電平（PWM控制芯片低電平使能）；當進行涓流充電時，可以把單片機的PWM控制端口輸出PWM信號，然后通過測試電流采樣電阻上的壓降來調整 。 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 圖1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖分別將如圖1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環節（R-L電路）上，如圖2a所示。其輸出電流i(t)對不同窄脈沖時的響應波形如圖2b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降

21、段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應i(t)也是周期性的。用傅里葉級數分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。 圖2 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波N等分，看成N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規律變化。 SPWM波形脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形。 圖3 用PWM波代替正弦半波要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。 PWM電流波： 電流型逆變電

22、路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波。 PWM波形可等效的各種波形： 直流斬波電路：等效直流波形 PWM波：等效正弦波形，還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，也基于等效面積原第三章 直流伺服系統PWM控制裝置3.1 直流電機PWM閉環調速系統推出一種使用單片機的PWM直流電機閉環調速系統。本系統結構簡單，價格低廉，在實際應用中效果良好。采用硬件電路實現直流電機閉環調速系統已在實踐中應用多年，其硬件組成復雜，調整困難，缺乏控制的靈活性。本文介紹的直流電機PWM閉環調速系統，使用低價位的單片微機89C2051為核心，實現閉環控制，并可進行數字顯示

23、和速度預置，方便了使用。電機調速采用脈寬調制方式，與晶閘管調速相比技術先進，可減少對電源的污染。本系統已用于健身跑步機調速，工作可靠，使用效果良好。圖1是本系統的線路圖，主要有PWM信號發生、閉環調速微機控制、直流電機驅動等幾部分組成。(一) PWM 信號發生電路PWM波可由具有PWM輸出的單片機(如80C198等)通過編程產生，也可采用PWM專用芯片來實現。PWM波的頻率太高時，對直流電機驅動的功率管要求太高，太低時產生電磁噪聲較大。實踐應用中PWM波的頻率在18kHz左右效果最好。經綜合分析，本系統采用兩片4位數值比較器4585和一片12位串行計數器4040組成了PWM信號發生電路。兩片比

24、較器U3、U2的A組接4040計數輸出Q2Q9端，B組接單片微機的P1端口。改變P1端口的輸出值，可使PWM信號的占空比產生變化，進行調速控制。計數器4040的計數輸入端CLK接單片機2051晶振的振蕩輸出XTAL2。晶振選用18MHz時，經QOQ2的8分頻，Q2Q9的256分頻，產生的PWM波形的頻率為176kHz，適合光耦及功率開關管的合理工作范圍。計數器4040每來8個脈沖，其輸出Q2Q9加1，當計數值小于或等于單片機P1端口輸出值X時，U2的(A>B)輸出端保持為低電平，當計數值大于X時U2的(A>B)輸出端為高電平。隨著計數值的增加，Q2Q9由全“1”變為全“O”時，(A

25、>B)輸出端又變為低電平，這樣，在U2的(A>B)端得到PWM的信號，其占空比為(255-X/255)×100，改變X值可改變PWM信號的占空比，進行直流電機的轉速控制。使用此方法單片機只需根據調整量輸出X值，PWM信號由三片通用數字電路生成，使軟件大大簡化，有利于單片機系統正常工作。由于單片機上電復位時P1端口輸出全“1”，使用4585的B組與P1端口相連，升速時PO 端口輸出X按一定規律減少，降速時按一定規律增大。(二) 單片微機閉環速度控制電路本系統的閉環控制選用低價位的單片機89C2051，與帶PWM輸出的80C552及80C198相比，無需外擴EPROM，且價格

26、低的多。2051單片機片內有2K的flash程序存儲器，15個I/O 口，兩路16位的定時/計數器，指令及中斷系統與8031兼容，給閉環速度控制帶來很大的靈活性。閉環速度控制中傳感器選用霍爾傳感器，小磁鋼固定在被測轉軸上，每轉一周輸出一個脈沖信號。轉速脈沖信號經施密特觸發器U6-1，U6-2整形后，輸入到2051單片機的INTO中斷口P32端口上。軟件設置INTO為下降沿中斷，進入中斷服務程序后開啟定時/計數器O進行定時，測出每轉的周期，再由軟件計算出控制值X，由P1端口輸出PWM波占空比的控制數。軟件中還可進行顯示線速度或角速度的轉換計算，由八位驅碼驅動器帶動LED數碼管進行顯示。預置速度由

27、按S1、S2輸入，進行“+”“ -”控制，預置數也由LED數碼管顯示。顯示使用了高集成度的MAX7219串行LED顯示驅動器，帶動八位LED數碼管進行顯示，前四位顯示當前運行速度，后四位顯示預置速度。MAX7219是24腳窄封裝芯片，串行口工作頻率最高10MHz，八位LED顯示，通過對譯碼模式寄存編程，可控制各位顯示方式(BCD碼或非譯碼)，顯示是片內動態掃描模式，通過一個電阻和編程可控制亮度，并可多個芯片串聯顯示多達64位共陰極LED數碼管。 MAX7219的數據輸入端DIN、時鐘端CLK、數據鎖定端L分別與2051單片機的P3.0、P3.1、P3.5端口相接。改變電阻R6的阻值可調整顯示亮

28、度，R6取值在3.910kQ之間。使用MAX7219不僅可減少硬件電路，由于是片內動態掃描顯示，并可降低功耗和簡化軟件設計。2051單片微機的上電復位使用了MAX812電壓監控器，上電時約有200 ms的延遲，以保證復位正常進行。為了防止掉電后預置數丟失，使用了使用備用電池保護2051單片機片內RAM數值。電源經變壓整流后，一路經DC-AC開關電源輸出5V直流電壓給單片機系統供電，一路經三端穩壓元件7812穩壓輸出12V電壓供驅動大功率開關管使用。單片機系統電源與驅動電路部分電源隔離，以提高系統工作的可靠性和安全性。(三) 直流電機驅動系統電路U2生成的PWM信號經施密特反相器U6-3驅動光電

29、耦合器O1，送至直流電機驅動電路。大功率開關管選用N溝道VMOS功率場效應管，它為壓控元件，具有很高的輸入阻抗，因而驅動功率很小，對驅動電路要求也較低。經光電耦合器傳送的PWM信號，經并聯使用的六施密特反相器，接到VMOS功率管Y1的柵極上，直接驅動即可。穩壓管D4和電阻R8起保護作用。VMOS功率管的源極接直流電機繞組，經感抗器接電機直流電源負端。漏極接電機直流電源正端。快速關斷二極管D3起保護作用，消除VMOS功率管開關過程由電機繞組產生的感生電勢。電源是交流電壓經C7、ZL、C8組成的濾波器后，由高壓橋整流器件Z2整流，高壓電解電容濾波后供VMOS功率管。VMOS功率管，快速關斷二極管及

30、高壓電解電容器及整流橋等根據選用直流電機的電壓、功率等要求確定相應型號和參數。3.2 PWM調速裝置PWM驅動裝置與一般晶閘管驅動裝置像比較具有下列特點1） 需用的大功率可控器件少，線路簡單。例如，在不可逆無制動PWM驅動裝置中僅用一個大功率晶體管，而在晶閘管驅動裝置中至少要用三個晶閘管（指三相），在可逆橋式（H）型PWM驅動裝置中僅用四個大功率晶體管，而晶閘管驅動裝置哦中則至少要用六個，從而簡化了系統的功率轉換電路極其驅動電路，使得晶體管PWM驅動裝置的線路較晶閘管驅動裝置的簡單。2） 調速范圍寬。 PWM驅動裝置與寬調速直流伺服電動機配合，可獲得600010000r/min的調速范圍，而一

31、般晶閘管驅動裝置的調速范圍僅能達到100150r/min如果采取低速自適應控制或鎖相環控制等措施，也能達到600010000r/min,但其線路要比PWM系統復雜的多。3） 快速性好。在快速性上，PWM系統也優化晶閘管系統。主要是調制頻率高（1-10kHz），失控時間小，可減小系統的時間常數，是系統的頻帶加寬，動態速降小，恢復時間短，動態硬度好。PWM驅動裝置的電壓增益不隨輸出電壓變化而變化，故系統的線性度好。4） 電流波形系數好，附加損耗小。由于PWM調制頻率高，不需平波電抗器就能獲得脈動很小的直流電流，波形系數約等于1。因而電樞電流脈動分量對電動機轉速的影響以及由它引起的附加損耗都小。5）

32、 功率因數高，對用戶使用有利。PWM驅動裝置是把交流電經全波整流成一個固定的直流電壓，在對它進行脈寬調制，因而交流電源測的功率因數高，系統 工作在電網干擾小。在一個多軸機床上，可將幾套PWM驅動裝置組合為一個單元，其公共組件、電源供給及某些控制線路可以公用。表1列出了PWM系統與晶閘管系統的比較。此外，PWM驅動裝置還具有下列優點：同晶體管線性功率放大 像比，效率 高功耗小，同同交磁電機擴大機驅動相比，體積小，重量輕，壽命長，頻帶寬，滯后小；同電液驅動相比，維護方便，性能價格比優良，非線性小，受環境影響的敏感度低。總而言之，PWM驅動裝置集優點與一身，可以說它是目前一種頗為理想的伺服功率驅動裝

33、置 。 3.3 PWM控制器在直流伺服系統中的運用介紹一種基于專用PWM（脈寬調制）控制器UC1637 的直流位置伺服控制系統，對其中的系統原理、UC1637、功率轉換電路、保護電路、位置檢測、電磁兼容性設計等內容進行了詳細的討論。該系統可靠性高、成本低、廣闊的應用前景。近年來，現代直流PWM 控制技術得到了顯著的發展，而且發展潛力仍然相當大，尤其在低功耗、高精度、快速響應伺服控制領域應用相當廣泛，特別適合在涉及感性負載的地方。通常來說PWM 控制信號的產生有四種方法，即：分力電子元件組合產生PWM 信號、軟件模擬法獲得PWM 法、專用PWM 集成電路和單片機提供的PWM 口，其中方法一是最早

34、期的方法，現已基本被淘汰；方法二需要占用CPU 大量時間，資源耗費量大，因此也逐漸被淘汰；方法三與方法四為當前應用的主流，各有特色，滿足用戶不同需求。目前，許多國外知名廠商開發生產了針對不同應用場合的專用PWM 集成電路，如美國TI 公司的UC1637，該芯片為一款比較成熟的直流電動機雙PWM 開關型控制器，適用于開環或閉環直流電動機控制，包括速度控制、位置控制及步進電動機電流細分控制等。在本文設計的直流伺服位置控制系統中，采用TI 公司的UC1637 芯片作為PWM 控制器，從結構設計角度來講，UC1637 提供了低成本、低功耗、高性能的處理能力。(一) 系統原理概述系統主要由以下幾部分組成

35、，其中PWM 控制器UC1637 模塊為總控制中心，接收指令輸入電路的指令信號、電流檢測電路和位置檢測電路的反饋信號，指令信號與位置反饋信號比較生成相應的PWM 信號，輸出到H 型功率轉換電路，轉換放大后控制直流電動機旋轉，帶動減速器，實現低速、大力矩的輸出，作用到負載，完成特定任務。另外，電流檢測電路一方面檢測過流信號，保護控制系統；另一方面與位置環組合形成雙閉環，改善系統動態特性。如圖1 所示。圖1：位置伺服系統的基本組成框圖(二) 專用PWM 控制器UC1637UC1637 可由單電源或雙電源供電，范圍為±2.5±20V，輸出雙路PWM 信號，驅動電流能力為100mA

36、，最大電流高達500mA，具有限流保護、欠電壓鎖定、溫度補償2.5V 閾值的關機控制等特點。UC1637 基本原理框圖如圖2 所示，它主要由三角波發生器、PWM 比較器、輸出控制門、限流電路、誤差放大器、關機比較器及欠電壓鎖定電路七部分組成，下面分別扼要給予介紹。（1）三角波發生器：包括兩個比較器CP 和CN，一個切換開關S1 及一個觸發器SR1。只需外圍接幾個電阻和電容，通過對電容的充放電來選擇CP 和CN 二者中哪個起作用，不同的比較器輸出導致觸發器SR1不同的狀態，復位或置位，從而控制開關S1 開通或關斷，產生三角波，三角波電壓信號峰-峰值及頻率僅取決于外部所選電阻和電容；（2）PWM

37、比較器：包括兩個比較器CA 和CB，兩比較器可被設置輸出相關于三角波的雙PWM 信號，PWM信號互為反相，并且在二者前后沿均可設置死區時間；（3）輸出控制門：包括兩個具有使能端的與非門NA 和NB，內部各種保護均通過這兩個與非門來控制PWM 信號的輸出；（4）限流電路：包括一個比較器CL、兩個觸發器SRA 和SRB，其中比較器CL 設有200mV 的閾值，采集到的信號與此閾值比較確定SRA 和SRB 的狀態，去控制輸出控制門；（5）誤差放大器：該放大器EA 完全獨立于內部電路，為一個高速運算放大器，典型帶寬為2MHz，輸出阻抗低；（6）關機比較器：該比較器CS 設有2.5V 閾值，可用來延時起

38、動及保護控制；（7）欠電壓鎖定電路：欠電壓鎖定電路UVL，在電源電壓低于4V 時起作用，鎖定輸出信號為低電平。（三）H 橋型雙極模式功率轉換電路功率轉換電路設計與實現為本系統的關鍵難點，原因在于：一方面功率轉換電路是伺服系統的核心部分之一，其元器件選型、質量、工作條件直接影響著整個系統的技術性能和工作可靠性；另一方面工作在低電壓大電流狀態下，而且功率器件功率場效應管（MOSFET）和功率晶體管（GTR）均工作在開關模式下，即飽和和截止狀態，必須協調開通截止時間，來避免H 橋同側直通。當前H 橋型功率轉換電路具有直通自保護功能；工作頻率可達30kHz；而且工作電壓可以為單電源，也可以為雙電源，僅

39、需要改變幾個器件便可實現。另外，如上所述功率器件工作在開關狀態，因此功耗小。另外，值得強調的是在盡量選擇開關時間小的高速管同時，需要十分注意各管的飽和深度，這直接影響著開關時間及死區保護時間。功率電路中四個MOSFET 管漏-源極間續流二極管不可缺少，本系統中選擇內置有續流二極管的MOSFET 管的同時，增加外部續流二極管，來進一步減小續流時間；而且四個GTR 管極電極-發射極間穩壓二極管在供電電源較大的情況下必須考慮，目的是避免MOSFET 管柵-源間壓降超限。(四)系統保護電路（1）H 型雙極模式功率轉換電路直通保護上述H 型雙極模式功率轉換電路特點決定了，避免同側橋臂直通保護不可或缺，系

40、統中主要通過死區設定來實現，而且可通過兩種簡易的方法來改變死區，但是死區存在又會降低效率，在滿足保護要求的前提下，應盡量縮短死區。（2）過電流保護PWM 系統實現電流保護對電流檢測元件的實時性要求較高，必須具有良好的頻響特性和極小的延遲時間。通常有標準電阻實時取樣和霍爾效應電流檢測兩種方法，考慮到前者簡單可靠、阻值穩定、精度高、頻響好、輸出電壓與流過的電流直接成比例、完全勝任本系統，而后者往往較貴、體積大，故采用前者。（3）欠電壓/過電壓保護直流位置伺服系統中許多環節要求欠電壓/過電壓保護，如PWM 控制器UC1637 工作電壓為一個范圍，電壓必須在范圍內。欠電壓保護通過PWM 控制器欠電壓封

41、鎖電路和關機比較器來實現。電機高速制動引起的泵升電壓或控制電源過電壓，均可能引起故障，系統針對此采用了相應的抑制電路。而對于由感性負載或電源導致的浪涌電壓利用壓敏電阻加以解決。（4）抑制啟動電流系統中的電機，電樞電阻較小，其啟動電流過大，使電機的過電流保護裝置動作，切斷PWM 信號，以致不能啟動。一方面，本系統可提供兩路PWM 信號，實現差動控制電機，意味著即使控制輸入信號為零，電機不轉，電樞回路中仍有按一定頻率交變的電流。因此電機處于微振狀態，一定程度上克服了系統摩擦，提高了響應靈敏度，從而減小了啟動電流。另一方面，采用電樞回路串聯電阻的辦法來限制電流，電機轉動起來后，將電阻短路。(五)位置

42、檢測基于PWM 的直流位置伺服系統，位置傳感器不得不靠近沖擊振動的環節，因此選用精度高、耐磨性好、抗振動的電位器。(六)電磁兼容性設計伺服系統中存在的電磁干擾，主要來源于以下幾方面：首先，由于功率轉換電路中的MOSFET 管工作在較高頻率的開關狀態，產生較高的電流和電壓的變化；其次，級間耦合等。為此，系統主要采取如下措施：（1）電路板布局上，將PWM 控制電路與功率轉換電路分開，并將兩部分的供電電源隔離，模擬地與功率地分開；（2）加去耦電容及濾波電路；（3）電機上設置RC 干擾抑制電路； 3.4 電機驅動部分在上文的方案選擇中我們已經確定電機的驅動部分采用L298。L298及其外圍電路硬件圖如

43、下圖4.1。圖4.1 L298及其外圍電路硬件圖由上圖可以看出，L298及其外圍電路比較簡單。其中ENABLE、PWM和DIRECTION三路信號由控制電路部分給出。單片機輸出的PWM信號經過一個反相器變成我們上圖中的信號。在使用過程中，我們把L298內部的兩個橋式驅動器并聯使用，這圖3.2 L298的內部結構圖樣可以提高直流電動機的供電電流的極限值，使直流電動機的持續工作電流最高可達到4A。現在我們可以通過L298的內部結構圖（圖4.2），分析一下L298實現的功能。當ENABLE輸入為低電平時，L298內的8個開關管都不會導通，L298沒輸出。當ENABLE輸入為高電平時，可由圖4.3看出

44、8個開關管根據輸入端信號的變化而變化的情況。在時序圖中我們可以見到PWM波形的占空比由40%到80%到60%的變化。在ENABLE輸入為高電平的情況下，當DIRECTION輸入為低電平時，可以見到與一直導通，其對應下臂橋與一直截止。這過程中與一直與PWM波形變化一致。這時電機正轉，并且可以根據PWM控制信號變化方向進行調速控制； 當DIRECTION輸入為高電平時，可以見到與一直導通，其對應下臂橋與一直截止。這過程中與一直與PWM波形變化一致。這時電機反轉，并且同樣可以根據PWM控制信號變化方向進行調速控制。對于L298的應用，還需要對采樣電阻Rs進行選擇。Rs選擇應該滿足：第一，L298的允

45、許采樣電壓值要小于2V。第二，L298允許的電流和功率的限制。第三，電阻自身可能達到的功耗。在本設計中選用了1.55W的電阻，電機能正常工作。圖3.3 L298內部8個三極管根據輸入信號變化的時序圖3.5 裝置原理圖及元件安裝布置圖圖3.4:半閉環直流PWM控制裝置原理圖主電路圖：元件表符號名稱數量型號備注變頻器1臺森蘭SB61P45KW的變頻器QF斷路器1只DW15-200KM電磁接觸器1只CJ20-100KR熱繼電器1只JR16-15/3KT時間繼電器1只SA開關1個HZ10-100SB按鈕4個LA18-22電纜若干CVVS截面采用1.25mm2導線若干BV截面采用35和0.5mm2第四章

46、 PWM控制裝置的安裝與調試4.1 PWM控制裝置的安裝在PWM控制裝置實際應用中，由于國內客戶除少數有專用機房外，大多為了降低成本，將PWM控制裝置直接安裝于工業現場。工作現場一般是灰塵大、溫度高，在南方還有濕度大的問題。對于線纜行業還有金屬粉塵，在陶瓷、印染等行業還有腐蝕性氣體和粉塵，在煤礦等場合，還有防爆的要求等等。因此必須根據現場情況做出相應的對策。PWM控制裝置是精密的電力電子裝置，在設置安裝方面必須考慮周圍的環境條件，一般來說要考慮以下因素：環境溫度一般來說，允許的環境溫度為-10度-+40度。如果散熱條件好，其上限溫度可提高到+50度。環境濕度剛空氣中濕度較大時，會使絕緣變差。一

47、般來說以保證PWM控制裝置內部不出現結露現象為宜。其他條件PWM控制裝置的安裝環境還應滿足無腐蝕、無振動、少灰塵、無陽光直射等條件。PWM控制裝置和其他大部分電力設備一樣，需認真對待起工作過程中的散熱問題，溫度過高對任何設備都具有破壞作用。所不同的是對大多數設備而言，其破壞作用比較緩慢，而對PWM控制裝置的逆變電路，溫度一旦超過限值，會立即導致PWM控制裝置逆變管的損壞。因此PWM控制裝置的散熱問題也先的尤為重要，為了不使PWM控制裝置內部溫度升高，采用冷卻風扇把熱量帶走。由于PWM控制裝置具有較好的外殼，在安裝環境允許的前提下可以靠墻安裝如上圖，為保持通風良好，改善通風效果，PWM控制裝置應

48、垂直安裝，為保證PWM控制裝置的出風口暢通，不被異物阻塞，在PWM控制裝置的通風口加裝保護網罩。在確定了PWM控制裝置的安裝及接線方案以后，如何進行布線我們將分三個方面來進行分析。（一）、主電路的布線在進行主電路布線以前，先檢查一下電纜的線徑是否符合要求。此外要把主電路和控制電路的布線分開，并分別走線，在不得不經過同一接線口時，也應該在兩種電纜之間設置隔壁墻，以防止控制線路受到動力線的干擾，造成PWM控制裝置工作異常。（二）、控制線路的布線在PWM控制裝置中主電路是強電信號，而控制電路是所處理的信號為弱點信號。因此在控制電路的步線方面應采取的措施避免主電路中的高次諧波信號進入控制電路，為此要采用屏蔽線。屏蔽線在連接時按下圖所示，屏蔽層靠近PWM控制裝置的一側應接PWM控制裝置控制電路的公共端，注意不要接到了PWM控制裝置的接地端，而屏蔽的另一端應懸空。注意事項:1.盡量遠離主電路，至少在100mm以上。2.盡量不和主電路交叉，如有交叉應采取垂直交叉的方式。（三）、接地線由于PWM控制裝置主電路中的半導體器件在工作過程中將進行高速通段動作，PWM控制裝置主電路和外殼及控制柜之間的漏電電流也相對較大，因此為了防止操作者觸電、雷擊等自然災害對PWM控制裝置的傷害，必須保證PWM控制裝置接地端的可靠接地。可靠接地