一種電動(dòng)舵機(jī)模擬控制器設(shè)計(jì)

龍海峰 張巍 何雨昂 曹英健

摘要

本文介紹了一種電動(dòng)舵機(jī)模擬控制器的原理、功能組成以及小型化設(shè)計(jì)方法，分析了控制電路和驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)，該模擬控制器具備良好的性能和較高的可靠性，探討了模擬控制器在電動(dòng)伺服控制領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)舵機(jī) 控制器 電動(dòng)伺服

1 概述

目前，在中小功率電動(dòng)舵機(jī)控制器產(chǎn)品中，模擬控制器以其自身的優(yōu)點(diǎn)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地，研制一種體積小、成本低、可靠性和可維護(hù)性好的電動(dòng)舵機(jī)模擬控制器具有極高的實(shí)用價(jià)值。本文介紹的電動(dòng)舵機(jī)模擬控制器具有以下特點(diǎn)：

（1）采用以電機(jī)控制專用集成電路MC33035和集成運(yùn)算放大器MC33179為核心的模擬控制電路，在滿足系統(tǒng)要求的情況下，大幅降低了設(shè)計(jì)成本和電路復(fù)雜程度，又節(jié)省了空間。

（2）采用P型和N型MOSFET相結(jié)合的H橋驅(qū)動(dòng)模式，在保證可靠驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上節(jié)省了光電耦合器及其相應(yīng)的電源變換電路，這使得控制器所占用的空間進(jìn)一步減小。

（3）模擬控制電路采用集成貼片元件，有效地減小了電動(dòng)舵機(jī)控制器的重量和安裝體積。

2 模擬控制器原理及設(shè)計(jì)

2.1 控制原理

為了提高電動(dòng)舵機(jī)的可靠性和響應(yīng)性能，舵機(jī)控制電路通過一個(gè)精密反饋電位計(jì)構(gòu)成閉環(huán)控制。控制器接受上級(jí)控制系統(tǒng)指令電壓信號(hào)Ur，舵擺角位置與電位計(jì)輸出的電壓信號(hào)Uf成正比，經(jīng)過運(yùn)算放大器的算法電路形成一比較電平，以此作為指令信號(hào)送入MC33035，該芯片輸出一定占空比的PWM信號(hào)，控制功率電路中MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的閉環(huán)控制。電動(dòng)舵機(jī)模擬控制器的控制原理如圖1所示。

2.2 算法控制電路設(shè)計(jì)

指令信號(hào)與反饋信號(hào)通過運(yùn)算放大器求和后進(jìn)行比例放大運(yùn)算。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。

PWM控制芯片MC33035要根據(jù)ERA+管腳指令電壓信號(hào)的大小來控制PWM波的占空比，指令電壓信號(hào)必須為正值;根據(jù)FWD/RV管腳的電壓信號(hào)來確定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)方向，高電平時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，低電平時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。因此，在控制算法電路中設(shè)計(jì)了相應(yīng)的絕對(duì)值電路和符號(hào)電路，使MC33035芯片能夠按照指令產(chǎn)生PWM波形，控制電機(jī)的運(yùn)行。為了有效減小控制算法電路硬件所占用的空間，選用了四個(gè)運(yùn)算放大器集成于一體的芯片MC33179。

2.3 PWM控制電路設(shè)計(jì)

MC33035是專門針對(duì)電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的專用集成電路，內(nèi)含誤差放大器、三角波放大器、脈寬調(diào)制器、輸出驅(qū)動(dòng)門、限流電路、欠壓封鎖電路等。MC33035共可輸出六路PWM信號(hào)，本系統(tǒng)采用其中的四路。控制芯片通過運(yùn)算放大器的模擬電壓輸出與三角波相比較，從而產(chǎn)生一定占空比的PWM波，其占空比大小與指令電壓成正比，伺服電機(jī)的方向控制通過FWD/RV管腳來實(shí)現(xiàn)。

2.4 功率電路設(shè)計(jì)

功率器件是模擬控制器中的關(guān)鍵器件之一，也是整個(gè)控制系統(tǒng)中容易損壞的元器件。在此選用IR公司的MOSFET，由IRF4905和IRFZ48N組成H橋電路，通過加入C型緩沖電路，可用于吸收浪涌電壓。由MOSFET組成的H橋電路如圖3所示。

3 小型化設(shè)計(jì)

為了盡可能減小模擬控制器的體積，在設(shè)計(jì)過程中采取以下措施：

（1）采用電機(jī)控制專用集成電路MC33035，可以輸出六路占空比可調(diào)的 PWM控制信號(hào)。采用DSP或單片機(jī)的數(shù)字控制器外圍電路復(fù)雜，設(shè)計(jì)成本相對(duì)較高，而且硬件電路占用空間較大。

（2）在模擬式控制器的控制算法電路中，需要四路運(yùn)算放大器。在設(shè)計(jì)中選用四運(yùn)放集成的MC33179，使硬件電路的空間得到了充分優(yōu)化。

（3）采用P型和N型MOSFET構(gòu)成的H橋驅(qū)動(dòng)方式，減小了控制電路所占用的空間。

（4）模擬控制器中的絕大部分元器件都采用表帖式封裝，在保證性能的前提下使空間減小到最低的限度。

4 試驗(yàn)結(jié)果

模擬控制器帶舵機(jī)負(fù)載進(jìn)行了跟隨特性、幅頻特性和相頻特性測(cè)試，其指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求，并且解決了以往控制器相角滯后過大的問題。

5 結(jié)論

采用該模擬控制器的電動(dòng)舵機(jī)，工作性能良好，能夠較好滿足設(shè)計(jì)要求。與一般的數(shù)字式電動(dòng)舵機(jī)控制器相比，所占用的空間體積小，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本較低，且使用方便、可維護(hù)性好。模擬式電動(dòng)舵機(jī)控制器通用性較強(qiáng)，可進(jìn)一步擴(kuò)展到其它伺服領(lǐng)域，應(yīng)用前景良好。

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