直流伺服系统PWM控制装置电气设计

1、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

2、 字)1) 设计题目2) 设计方案论证3) 控制原理说明4) 元件明细表5) 设计总结及改进意见6) 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 半导体器件手册目录第一章 数控系统的组成及工作原理 41.1 数字控制技术 41.2 数控机床的组成及工作原理 41。3 数控机床的工作原理 6第二章 伺服驱动系统的概念 62。1 什么是伺服驱动系统 62.2 数控系统对伺服驱动系统的要求 72。3。伺服驱动系统的组成和工作原理 82。4 直流伺服驱动系统装置 9第三章 直流伺服系统 PWM 控制装置 103.1 PW

3、M 技术的基本原理 103.2 PWM 控制的基本原理 123。3 PWM 调速装置 143.4 PWM功率驱动装置系统设计 153。5 直流电机 PWM闭环调速系统 193。6 直流电机 PWM控制原理223.7 PWM 控制器在直流伺服位置系统中的运用 233.8 电机驱到部分 273。9 装置原理图及元件安装布置图 29第四章 PWM 控制装置的安装与调试 314.1 PWM 控制装置的安装环境 314。2 PWM控制装置的安装与布线 324。3 PWM控制装置的调试 334。3 全速停机试验 344.4 高速运行试验 34总结 错误!未定义书签。总结 错误!未定义书签。摘要直流伺服技术

4、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

5、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 个人收集整理 ,勿做商业用途文档为个人收集整理 , 来源于网络系统），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

6、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 .第一章 数控系统的组成及工作原理1.1 数字控制技术数字控制（

7、numerical control ）.简称NC是近代发展起来的用数字化信息进行控制 的自动控制技术。数字控制系统有如下特点：1）可用不同的字长表示不同的精度的信息，表达信息准确。2）可进行逻辑，算术运算，也可以进行复杂产信息处理。3） 可不用改动电路或机械机构，通过改变软件来改变信息处理的方式过程, 具有柔性 化.由于数字控制系统具有上述特点， 故被广泛应用于机械运动的轨迹控制。 例如数控机床、 工业机器人、数控线切割机、数控火花切割机、坐标测量机、绘图仪、编织机和剪裁机等。 数控系统的硬件基础是数字逻辑电中 . 最初的数控系统是由数字逻辑电路构成的， 因而被称 之国硬件数控系统。硬件数控系

8、统经历了采用电子管、 晶体管集成电路的过程 .随着计算机。 特别是微型计算机的发展，数控系统中引入了微型计算机。采用了计算机或微型机计算机 的数控系统称之为计算机数控系统 （computer numerical control ）,简称CNC.CN柔性好, 功能强、可靠性高经济性高、经济性好及易于实现机电一体化。使数控系统取而代之当前 微机技术发展很快。性能提高，价格降低，所以微机在数字控制系统中得到广泛应用。1。2 数控机床的组成及工作原理数控机床的组成 采用数控技术控制的机床， 或者说装备了数控系统的机床， 称之为 数控机床。现代数控机床都有采用计算机（微型计算机）作为控制系统 , 其组成

9、如图所示。加工程序输入装置数控系统伺服系统*辅助控制装置»控系竦反馈系统（1） 程序载体数控机床是按照输入的工件加工程序运行的。工件加工程序中包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹，工艺参数（进给量、主轴转速等）和辅助运动等加工所需的 全部信息。程序载体就是存储工件加工程序的媒介物。数控机床中，常用的程序载体有穿 孔纸带、穿孔卡片、磁带各磁盘等。（2） 输入装置的作用是将程序载体内有关加工的信息读入 CNC单元。根据程序载体的不同， 相应有不同的输入装置。例如，对于穿孔纸带，配用光电阅读机；对于盒式磁带，配用录放 机；对于软磁盘，配用软盘驱动器和驱动卡等。有时为了用户方便，数控机床可以同

10、时具备几种输入装置现代数控机床。还可以通过手动方式（MDI方式），将工件加工程序，用数控系统的操作面板上的按键，直接键入 CNC单元；或者用与上级机通信方式直接将加工程序输入CNC单元。（3）CNC单元CNC单元是数控机床的核心，它包括微型计算机（CPU存储器、各种I/O接口）、通用输入输出（I/O ）外围设备（如CRT/LED显示器、键盘、操作控制面板等）以 及相应的软件。它具备的主要功能有；多坐标控制和多种函数的插补（如直线、圆弧等）；多种程序输入功能以及编辑和修改功能； 信息转换功能；补尝功能多各加工方法选择；显示 功能,用数码显示器LED可显示刀具在各坐标轴上的位置，用 CRT（阴极射

11、线管）显示器可 显示字符、轨迹平面图形和动态三维图形；自诊断功能；通迅和联网功能。（4 ）伺服系统 伺服系统是数控系统的执行部分。它接受来自CNC单元的指令信息，经功率 放大后,严格按照指令信息的要求驱动机床的运动部件， 完成指令规定的运动。伺服系统由 伺服电动机以驱动控制单元组成。它与数控机床的进给机械部件构成进给伺服系统，一般 来说数控机床的伺服系统，要求有好的快速响应性能和灵敏而准确地跟踪指令功能。（5）位置测量反馈系统 位置测量反馈分为数控机床执行部件的转角位移反馈和直线位移 反馈两种。运动部分通过传感器将上述角位移或直线位移转换成电信号， 输送给CNC单元， 与指令位置进行比较，并由

12、CNC单元发出指令，纠正所产生的误差。（6）辅助控制装置辅助控制装置的主要作用是接收 CNC单元输出的主运动换向、变速、 启停、刀具的选择和交换 , 以及其它辅助装置动作等指令信号， 经过必要的编译、 逻辑判别、 运算和功率放大后直接驱动相应的电器， 带动机床机械部件 , 液压气功等辅助装置完成指令 规定的动作。而机床上的限位开关等开关信号经辅助控制装置处理后送 CNC单元进行处理。由于可编程控制器（PLQ具有响应快、性能可靠、易于使用、编程和修改 ，并可直接红 驱动机床电器，现已广泛作为数控机床的辅助控制装置。（7）机床的机械部件 数件机床的机式结构， 除了主运动系统、 进给系统以及辅助部分

13、。 如液压、气动、冷却和润滑部分等一般部件外 , 尚有些特殊部件 , 如储备刀具的刀库、自动 换刀装置ATC自动托盘交换装置等，与普通机床相比，数控机床的传动系统更为简单，但 机床的静态和动态刚度要求更高，传动装置的间隙要求尽可能小 , 滑动面的磨擦因数小 , 并 要有恰当的阻尼，以适应对数控机床定位精度和良好的控制性能的要求 .1。3 数控机床的工作原理数控机床与普通机床相比 , 工作原理不同处在于数控机床是按数字形式给出的指令进 行加工的。第二章 伺服驱动系统的概念2.1 什么是伺服驱动系统伺服驱动系统是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

14、的运动，完成程序所规定的操作。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。2.2 数控系统对伺服驱动系统的要求数控机床的 性能在很大程度上取决于伺服驱动系统的性能 , 对伺服驱动系统的主要 要求如下 :（1）进给调速范围要宽 调速范围 Rn 是指机床要求伺服电动机提供的最高转速 Nmax 和最低转速 Nmin之比，即Rn=Nmax/Nmin在各种数控机床中，由于加工用刀具，被加工材料及零件加工要求的不同，为保证在任何 情况下都能得到最

15、佳切削条件，就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。（2）位置精度要高 使用数控机床主要 是为里解决：1.保证加工质量的稳定性、 一致性， 减少废品率 ;2。解决复杂曲面零件的加工问题 ;3 。解决复杂零件的精度加工问题， 缩短制造周期等 . 为了满足这些要求 ,关键之一是保证数控机床的定位精度和加工精 度。数控机床在加工时免除了操作者的人为误差， 他是按预定的程序进行自动加工， 不可能应付事先没有预料到的情况。就是说，数控机床不能像数控机床那样，可随 时用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响。因此，要求定位精度和轮 廓切削精度能达到数控机床要求的指标 . 为此，在位置控制中要求高的定

16、位精度。 在 速度控制中，要求具有很高的调速精度和很强的抗干扰能力，即要求工作稳定性要好。（3）速度响应要快 为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，除了要求有较 高的定位精度外， 还要求有良好的快速响应特性， 即要求跟踪指令信号的响应要快。 一方面要求过度过程时间要短，一般在200ms以内,甚至小于几十毫秒；另一方面， 要使过度过程的前沿陡，亦即上升率要大。（4）低速大转距 根据数控机床的加工特点，大都是在低速进行大切削，即在低速时进 给驱动要有大的转矩输出 .这种可使动力源尽量靠近机床的执行机构 , 使传动装置机 械部分结构简化，系统刚性增加，使动精度提高 .为了满足上述四点要求，

17、进给伺服驱动系统对执行元件 伺服电动机也相应提出了很高 的要求：高精度、快反应、宽调速和大转矩等。2。3.伺服驱动系统的组成和工作原理比较驱动魏,L转动4移动电路部件速度反僮环节祷图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度反馈电路组成反馈回路可实现速度

18、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，贝U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，半闭环伺服驱动系统主

19、 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路测速发电机

20、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2。4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，图1伺服驱动系统结构框图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第三章 直流伺服系统PWM控制装置3。1 PWM技术的基本原理随着电子技术的发展，出现了多种PWI技术，其中包括：相电

21、压控制PWM脉宽PWM 法、随机PWMSPW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。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。可以通过调整 PW啲周期、PW啲占空比而 达到控制充电电流的目的（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?波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的 PWMI制寄存器 来调整PWM勺占空比,从而控制充电电流.本方法所要求的单片机必须具有

22、ADC端 口和PW端口这两个必须条件，另外ADC勺位数尽量高,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PW啲占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整 PW啲占空比。 在软件PWM勺调整过程中要注意ADC勺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 PWMI具有以下优缺点.优点：简化了 PWM勺硬件电路，降低了硬件的成本.利用软件PWMP用外部的硬件 PWM 口电压比较器，只需要功率 MOSFET续流磁芯、储能电容等元器

23、件，大大简 化了外围电路可控制涓流大小在PWMI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PW占空比的 调整方向。电池唤醒充电。单片机利用 ADC端口与PW啲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俞入端口，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 R

24、sample（单位为Q）,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勺1 LSB对应的电压值为5000mV/1024- 5mV一个5mV的数值转换成电流值就是 50mA所以软件 PW电流控制精度最大为50mA若想增加软件PWM勺电流控制精度，可以设法降 低ADC勺参考电压或采用10位以上ADC勺单片机.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PW啲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。

25、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（2000ms- 100ms /2000ms= 95%,这样也可以保证充电效率在 90%以上.（二）纯硬件PWMI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勺工作频率是很 低的，再加上单片机用ADC方式读取充电电流需要的时间，因

26、此用软件 PW啲方 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PW控制芯片主要有TL494等, 本PWMI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 TL494,如LM393和LM358等.采用纯硬 件PWW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PW啲调整速度和ADC勺精度限制。充电效率高。不存在软件PW啲慢

27、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，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&#

28、174;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%勺时间是充电的，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空制端口与硬件PWM融合对于单纯硬件PW啲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PWM5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PWM&出全部为高电平（PW控制芯片高电平使能）或低电平（PWM空制芯片低电平使能）；当进行涓流充电时，可 以把单片机的pw控制端口输出PWI信号，然后通过测试电流采样电阻上的压降来 调整个人收集整理，勿做商业用途

29、文档为个人收集整理，来源于网络3.2 PWM控制的基本原理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

30、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。b)a)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。SPWI波形一一脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形a)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。PWNfe流波：电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PW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

31、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3。3 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PWMg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PWMg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PWMg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600010

32、000r/mi n的调速范围，而一般晶闸管驱动装置的调速范围仅能达到100150r/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。PWMg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 PW碉制频率高，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

33、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PWMg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 PWMS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

34、 .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PWM 功率驱动装置系统设计(一)。脉冲宽度调制器脉冲宽度调制器是产生PWN脉冲的环节，是PWM控制方式的核心，其作用是将电压量 转化成脉冲宽度可由控制信号调节的脉冲电压 . 经基极驱动电路放大后 , 驱动直流斩波其中的大功率晶体管。脉宽调制器的种类很多，从基本构成来看，都是由两部分构成，一是调 制信号发生器，二是比较放大器，而调制信号发生器都是采用三角波发生器或锯齿波发生 器。图1为实际的控制单元中经常采用的倍频式脉宽调制器的组成原理示意图倍频式脉宽调制器工作原理图2倍频脉宽调制工作波形控制电平Uc自电流调节

35、器.三角波发生器产生出正负对称的三角形波信号匕如图2a所示）。控制电平Uc与三角波信号U在B点叠加。叠加后的A点波形UA与B点波形UB如 图2b和c所示.UA和UB经过后面的4只比较器与基准电压（零电位）相比较。4只比较器 的输出信号P1、P2、P3、P4就是PWM脉冲（如图d所示）P1、P2、P3 P4的4路PWM&号 经延时处理和驱动电路放大后，分别驱动主回路中的4个大功率晶体管VT1、VT2 VT3VT4.为此，我们得到两点结论： 控制电平Uc的大小与电动机电枢两端的脉冲电压的宽度成正比，因而在稳态，控 制电平Uc与电动机的转速也是成正比的。 大功率晶体管的开关频率等于三角波发生

36、器产生的三角波的频，而电动机两端的脉冲电压的频率是三角波频率的二倍。故称这种斩波器为倍频式斩波器，而称这种脉冲宽度调制器为倍频式脉宽调制器。确定三角波的频率是一个很重要的问题，在确定这一频率的时候，应先考虑两方面的因 素。若从希望电动机电枢电流连续并平稳的角度出发，三角波的频率应取的高一些，但是 频率高了，功率晶体管的功耗也增大。在实际中，综合考虑这两个方面的因素 ，功率晶体管的开关频率一般取1kHZ到2kH乙1.三角波发生器图1三角波发生器图a)电路图b)波形图图1a所示电路是一种三角波发生器，其中运算放大器 Q构成方波发生器，既一个多 谐振荡器，在它的输出端接上一个由运算放大器 Q2构成的

37、反相积分器。它们共同组成正反 馈电路，形成自激振荡。设在电源接通瞬间Q的输出电压UB为-Vd (运算放大器的电源电压)，被送到Q2的输入端。 由于Q2反相作用，电容C2被正向充电,输出电压U逐渐升高，同时UA又被反馈到Q的输入 端与UB进行比较。因为Q与R接成正反馈电路，所以当比较之后的 LA> 0时，比较器Q就 立即翻转,Lb电位由一Vd变为+Vd.此时,t=t i，而U=(R"R2)Vd。而在t1<t<T区间Q的输出 电压LA线性下降。当t=T时，LA略小于零时,Qi再次翻转到原态.此时，LB=-Vd而LA=( R/R2)Vd.如此周而复始,形成自激振荡,在Q2

38、的输出端得到一串三角波电压,各点波形见图1b所示。其三焦波的频率为图2比较放大器电路Bd ubl图2比较放大器电路图2所示是比较放大器电路.三焦波电压U与控制电压Uer比较后送入运算放大器的 输入端.当Uer=0时，运算放大器Q输出电压的正负半波相等,输出平均电压为零。当Uer 0时，比较放大器输出脉冲的正半波宽度小于负半波宽度.而当Uer <0时，比较放大器输出脉冲的正半波宽度大于负半波宽度。如果三角波的线性度很好，贝U输出脉冲的宽度正 比于控制电压Uer，从而实现模拟电压脉冲转换.图中的晶体管VT是为了增加脉宽调制器 的驱动功率并保证在正脉冲时输出.晶体管应工作在开关状态.3。5直流

39、电机PWM闭环调速系统推出一种使用单片机的pw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 pw闭环调速系统，使用低 价位的单片微机89C205伪核心，实现闭环控制，并可进行数字显示和速度预置,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PW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

40、PW波可由具有PWM出的单片机（如80C198等）通过编程产生，也可采用PW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PW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 PW信号发生电路。两片比较器U3 U2勺A组 接4040计数输出Q2-Q9端,B组接单片微机的P1端口。改变P1端口的输出值,可使PW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18MH时，经QOQ®8分频

41、，QA Q9勺256分频，产生的PW波形的频率 为17. 6kHz,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QA Q9加1,当计数值小于或等于单片机P1端口输出值X寸,U2的（A B）输出端保持为低电平， 当计数值大于X时U2的（A>B）输出端为高电平.随着计数值的增加，Q2Qft全“ 1”变为全 “O'时，（AB）输出端又变为低电平,这样，在U2£（ A>B端得到PWI的信号，其占空比 为（255X/255） X 100% ,改变X值可改变PW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!

42、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®定规律减少，降速时按一定规律增大。本文为互联 网收集 ,请勿用作商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途q 1 点瓯屯机 fwm（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PWI输出的80C552及80C198相 比，无需外扩EPROI且价格低的多。2051单片机片内有2K勺flash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，

43、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 P3. 2端口上.软件设置INTC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PW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码管进行显 示。预置速度由按S1、S2输入，进行“ +" “ 一"控制，预置数也由LED码管显示.显示使 用了高集成度

44、的MAX721串行LEE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LEE显示，通过对译码模式寄存编程，可控制各位显示方式（BCI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勺数据输入端DIN、时钟端CLK数据锁定端L分别与2051单片机的P3o 0、P3o 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3.910kC之间。使 用MAX721不仅可减少硬件电路，由于是片内

45、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 MAX81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-A（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.本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集 整理，来源于网络（三）直流电机驱动系统电路U2生成的PW信号经施密特反相器U6-3驱动光电耦合器01,

46、送至直流电机驱动电路.大 功率开关管选用N沟道VMO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PW信号，经并联使用的六施密特 反相器,接到VMO功率管丫1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VMO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VMO功率管.VMO功率管，快速关断二极管及高压电解电

47、容器及整流桥等 根据选用直流电机的电压、功率等要求确定相应型号和参数。3.6 直流电机PWM控制原理PW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Ua如公式2。1U a TU dV）设 ¥，可定义为占空比。设定输入电压 Ud不变， 越大，电机电枢端的平均

48、电压Ua 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T1在0到T间变化，这叫定频调宽.3.7 PWM控制器在直流伺服位置系统中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空制技术得到了显著的发展，而且发展潜力仍然相当大，尤其

49、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空制信号的产生有四种方法，即：分力电子元件组合产生PWM言号、软件模拟法获得PWMfc、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CPU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

50、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空制器，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空制器UC1637模块为总控制中心，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言号，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

51、环组合形成双闭环，改善系统动态特性。如图1所示.指令攵电路一£一控制 OUCSI37图1:位置伺服系统的基本组成框图(二) 专用PWM空制器UC1637UC1637可由单电源或双电源供电，范围为土 2.5 ±20V,输出双路PWM言号，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、PWMt匕较器、 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

52、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，三角波电压信号峰一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的双 PWM信号,PWM&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言号的输出；(4) 限流电路：包括一个比较器CL、两个触发器SRA和SRB其中

53、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在电源电压低于4V时起作用，锁定输出信号为 低电平。输IfH控制门关机比较器 c3. H桥型图2: UC1637原S!框图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

54、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（MOSFE）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。图3： H桥咽双极模戌功率转换电路当前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

55、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 MOSFETt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

56、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空制器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，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言号，以致不能启动。一方面,本系统可提供两路PWM言号，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