|
1 引言 直流電動機脈寬調制(PWM)控制器UC3637用于控制開環或閉環直流電動機速度或位置，其內部產生1路模擬誤差電壓信號，并輸出2路PWM脈沖信號，這2路PWM脈沖信號與誤差電壓信號的幅值成正比，并與其極性相關，因此構成雙向調速系統，實現PWM雙輸出，驅動電流能力為100 mA，該器件還具有限流保護、欠電壓封鎖及溫度補償等特點。而驅動集成電路IR2110對PWM信號具有自舉功能。有2路完全獨立的高保真輸入輸出通道，且這2路通道具有開通慢、關斷快的防橋臂直通的互鎖功能，可使電路可靠工作。這里采用UC3637和IR2110設計一種直流電動機PWM開環控制電路，并與計算機控制系統相結合，實現對某種舵系統直流電動機的控制，進而驗證該電路的正確性。 2 PWM開環控制電路 該電路設計控制系統的目標是在計算機不同的給定信號下，電動機可快速達到指定位置，以滿足系統性能要求。控制原理框圖如圖1所示。被控直流電動機M的轉速由測速發電機G測得，測速發電機所測得的轉速信號經A／D轉換后的數字信號在計算機中與給定信號相比較，再經計算后輸出數字控制信號，經D／A轉換變為模擬信號送至UC3637的脈寬信號產生電路，從而實現對直流電動機的速度控制。 圖2為基于UC3637的直流電動機PWM控制電路，該電路分為4部分：脈寬信號產生電路、自舉驅動電路、主電路、保護電路。 該電路產生5～10 V的閾值電壓，分別將U2=10 V接引腳1，U1=5 V接引腳3，這樣三角波就在5"10 V內變化，即電容CT連接的引腳2電壓在5"10 V內變化。UK是從計算機輸出經數模轉換得到的電壓，其范圍為-10～+lO V，而UC3637需要5～10 V的控制電壓接引腳9和11，控制輸出端的占空比。利用R2"R5對控制電壓UK進行電平轉換，令R2=10 kΩ、R3=18 kΩ、R5=20 kΩ，當UK=-10 V時，應有UR=5 V，由電路分流可以獲得： 代入數據解得，R4=2 kΩ。 為避免工作過程中發生直通短路現象，應在UC3637的輸出端引腳4和引腳7后各接一個RC延時電路，設需延時時間r=5μs，延時電路中所用電阻R6取5 Ω，由公式可得： 這樣雙路互補PWM脈沖信號在上升沿有幾個微秒的延時，在下降沿無延時，與IR2110內部上下路信號設置的延時相結合，可確保“H”橋中同一橋臂的上下兩個MOS管存在一個死區時間，從而保證電路工作安全穩定。由于15 V直流供電電源含有一定的交流雜波，故分別在引腳1、引腳3和15 V電源前并聯1只0．1μF的電容，以濾除交流雜波的干擾。 2．2 自舉驅動電路 該電路使用2個IR2110，這兩個IR2110由4個MOS管組成的“H”橋電路相連接。 IR2110的供電電壓為15 V的電源電壓UVD，其輸出工作電源為懸浮電源，通過自舉技術由固定電源得出。自舉技術利用升壓二極管、自舉升壓電容，使電容放電電壓和電源電壓疊加，從而使電壓升高。該技術可將電源電壓值升高數倍，所以充電二極管VD的耐壓能力必須大于高壓母線的峰值電壓。為防止自舉電容兩端電壓放電，則采用一個高頻快恢復二極管。自舉電容C3的電容值對于5 kHz以上的開關頻率取O．1μF即可。為向開關的容性負載提供瞬態電流，應在VCC與COM、VDD與VSS之間連接兩只旁路電容，VCC上旁路用一只 0．1μF的陶瓷電容和一只1μF的鉭電容并聯，而邏輯電源VDD上用一只0．1斗F的陶瓷電容即可，即電容C4、C5分別為1μF、0．1μF。在具體布線時，IR2110是邏輯部分和功率變換部分的接口，邏輯信號地線和主功率電源的地線應合理布局，使負載回路的引線盡可能短，以減少回路電感，同時還要避免因布線而引起的負載電流在信號回路中流動產生的共模干擾。 2．3 主電路 直流電動機的轉速通過測速發電機測得，當被控直流電動機的轉速小于給定轉速時，計算機經D／A轉換器輸出控制電壓UK，再經R2"R5電平轉換成UR輸入至引腳9和引腳11，使引腳4導通。引腳4的導通信號經RC延時電路傳輸至IR2110(1)的引腳10和IR2110(2)的引腳12，分別使上通道引腳10和下通道引腳12導通。這時2片IR2110間的“H”橋電路中的VF1、VF2被觸發導通，電路給電動機提供正向的電流，電動機升速。當被控直流電動機的轉速大于給定轉速時，UR使UC3637中的引腳7導通，引腳7的導通信號經RC延時電路傳輸至IR2110(1)的引腳12和IR2110(2)的引腳10，分別使下通道引腳12和上通道引腳1O導通。這時“H”橋電路中的VF4、VF3 被觸發導通，流過電動機的電流反向，電動機降速。在控制電路輸出的上、下通道輸入信號的作用下，VF1、VF2和VF4、VF3交替輪流導通，實現直流電動機的調速。由于IR2110內部的驅動阻抗很小，直接用其驅動“H”橋中的MOSFET器件會引起快速開關，可能造成MOSFET漏源間電壓振蕩，從而損壞MOS管。所有，應在IR211O的輸出端和MOS管之間串接1個約20 Ω的無感電阻。 2．4 保護電路 在該電路中需限制流經直流電動機的電流，以保護電路的各元件。TA為電流取樣環節，由此構成對IR2110的過流保護。電流傳感器從電動機的旁路中對電流取樣，將取樣電流輸入至IR2110的引腳11。當電流過大時，SD為高電平，施密特觸發器的S端被觸發，Q為低電平，IR2110停止工作。Vf為電壓反饋信號，構成閉環調壓網絡。該網絡中，RS為電動機電流檢測電阻，RS取值由允許的電動機最大電流決定。檢測信號從引腳12和引腳13輸入。設比較器C／L有200 mV的閾值，則有 取Imax=8 A，則：RS=0．025Ω 當電動機電流增大而使RS上的電壓達到該閾值時，C/L輸出高電平，令SRA和SRB復位至低電平，進而AOUT和BOUT變為低電平，停止輸出。 2．5 實驗驗證 在某種舵系統實驗中，選用額定工作電壓為27 V，3W2111115679額定工作電流為1 A的永磁直流電動機，根據實驗的不同要求，電機系統可完成階躍、正弦等運動，采用精密電阻電位計檢測電機位置，經A／D轉換反饋到計算機中與給定控制信號經一種自適應變結構控制得到1個輸出信號，再經D／A轉換送至UC3637的PWM控制器中，驅動電動機到期望的位置。其中，信號的給定，反饋信號取樣、控制算法及控制脈沖輸出均由計算機完成。圖3、圖4分別表示系統的數字仿真與實驗曲線，其中曲線1為實驗曲線，曲線2為一種自適應變結構控制的數字仿真曲線。由圖可知，運用該控制電路控制直流電動機是可行的。 3 結論 設計的直流PWM控制與驅動電路可用于控制直流電動機的速度控制和位置，具有良好的調速和驅動性能，可與不同的計算機控制算法相結合，從而實現不同的運動特性，具有一定的普適性。 |
