簡單實用的汽車整車電控系統(tǒng)調(diào)試用PWM信號發(fā)生器

劉 源，張沖子，葛渝清

（北汽銀翔汽車有限公司研發(fā)一中心電器開發(fā)所，重慶 401533）

近年來，隨著電子技術(shù)和微控制器在汽車上的廣泛應(yīng)用，整車上的電動執(zhí)行機構(gòu)及電控系統(tǒng)普遍采用了脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（Pulse Width Modulation，簡稱PWM技術(shù)）來進(jìn)行各種電機及電器的無級調(diào)速和調(diào)功等控制，從而實現(xiàn)風(fēng)速、流量、亮度、扭矩、功率等參數(shù)的精確調(diào)節(jié)和控制。該技術(shù)具有控制靈活、執(zhí)行可靠、實現(xiàn)容易、成本低廉等特點，但該技術(shù)給整車電器及電控系統(tǒng)的匹配和調(diào)試帶來了新的挑戰(zhàn)，特別是在雜合車或樣車試制階段，給調(diào)試工作增加了不小的難度。為此，我們設(shè)計制作了“簡單實用的汽車整車電控系統(tǒng)調(diào)試用PWM信號發(fā)生器”（以下簡稱PWM信號發(fā)生器），較好地解決了這一難題。下文簡單介紹其工作原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。

1 PWM信號發(fā)生器的原理及結(jié)構(gòu)

1.1 特點簡介

本信號發(fā)生器以555定時器集成電路為核心電路構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、體積小巧、制作容易、成本低廉等優(yōu)點。

1.2 555定時器簡介

555定時器集成電路是一種用途極其廣泛的由模擬電路和數(shù)字電路混合構(gòu)成的通用集成電路，它由美國signetics公司于1972年推出。由于它的分壓電路采用了3個5kΩ的電阻，且其常用來制作定時器電路，所以簡稱555定時器。利用它能極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、壓控振蕩器、各種報警器甚至D類功放等豐富多彩的應(yīng)用電路。

555定時器的電路原理框圖見圖1，它主要由分壓器（R1～R3，3個5 kΩ的電阻）、2個比較器（CA1、CA2）、1個RS觸發(fā)器（RSF）、放電開關(guān)管（VT）及輸出緩沖器（G）等5部分組成。555定時器的功能表見表1。

圖1 555定時器電路原理框圖

表1 555定時器功能表

555芯片引腳排列（雙列直插封裝）如圖2所示，引腳定義如下。

圖2 555定時器電路引腳排列圖

1腳（GND）：搭鐵。

2腳（TL）：觸發(fā)輸入端。當(dāng)2腳電壓小于1Vcc/3時，CA2的輸出為1，RSF置位。3腳輸出高電平。

3腳（Q）：輸出端。為高電位時，接近電源電壓+Vcc，輸出電流最大可達(dá)200 mA。

4腳（RD）：復(fù)位端。當(dāng)4腳電位小于0.4V時，不管2腳、6腳狀態(tài)如何，輸出端3腳都輸出低電平。

5腳（CV）：控制端。在壓控振蕩器中常作電壓控制輸入端。

6腳（TH）：閾值輸入端。當(dāng)6腳電壓大于2Vcc/3時，CA1的輸出為1，RSF復(fù)位。3腳輸出低電平，但有一個先決條件，即2腳電位必須大于1Vcc/3時才有效（注：也即不能同時出現(xiàn)2腳小于1Vcc/3，而6腳又大于2 Vcc/3的情況，此時RS觸發(fā)器的狀態(tài)將無法確定）。

7腳（FD）：放電端。與3腳輸出同步，輸出電平一致。8腳（+Vcc）：電源正端。

1.3 PWM信號發(fā)生器的原理及結(jié)構(gòu)簡介

本PWM信號發(fā)生器的電路原理圖見圖3。它以555定時器為核心構(gòu)成多諧振蕩器，其工作過程如下：當(dāng)接通電源時，Vcc通過R1、D2和W1的右半部分向C1（或C2）充電，在IC的2、6腳達(dá)到2Vcc/3前，IC的3腳輸出高電平，高電平的維持時間取決于R1、W1右和C1（或C2）的值，即th≈0.693×（R1+W1右） ×C。當(dāng)IC的2、6腳達(dá)到2Vcc/3時，IC的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，IC的3腳輸出低電平，同時，IC的7腳也為低電平，此時，C1（或C2）通過D1、R2、W1左放電，而低電平的維持時間取決于R2、W1左和C1（或C2）的值。即tl≈0.693×（R2+W1左）×C。當(dāng)IC的2、6腳由于C1（或C2）的放電低于1Vcc/3時，IC的狀態(tài)將再次翻轉(zhuǎn)，3腳重新變成高電平，進(jìn)入下一個循環(huán)。周而復(fù)始，形成振蕩。振蕩周期t=th+tl≈0.693×（R1+W1右）×C+0.693×（R2+W1左）×C，則振蕩頻率f =1/ t。而占空比D=［th/（th+ tl）］ ×100%。由此可見，通過改變C1或C2可以改變振蕩頻率，而通過調(diào)節(jié)W1就可以改變占空比。其振蕩波形見圖4。

圖3 PWM信號發(fā)生器電路原理圖

圖4 PWM信號發(fā)生器波形圖

在圖3中D1和D2的作用是將充電回路和放電回路隔離，以便調(diào)節(jié)占空比。開關(guān)K用于選擇C1或C2連接到電路中，用于調(diào)節(jié)振蕩頻率。R3、W2和R4組成分壓電路，用于調(diào)節(jié)輸出電壓的高低。

1.4 PWM信號發(fā)生器的振蕩頻率及占空比計算

1）當(dāng)C1=0.01μF時

根據(jù)1.3的相關(guān)計算公式，有：

f =1.443/［（20+47）×103×0.01×10-6］=2.1537×103=2.1537 kHz；t=1/ f=1/2153.7=0.0004643 s；Dmin=（thmin/t）×100%=（0.693×10×103×0.01×10-6/0.0004643）×100%≈15%；Dmax=（thmax/t）×100%=（0.693×57×103×0.01×10-6/0.0004643） ×100%≈85%。

2）當(dāng)C2=0.1μF時

根據(jù)1.3的相關(guān)計算公式，有：

f=1.4 4 3/［（2 0+4 7）×1 03×0.1×1 0-6］=2.1537×102=215.37 Hz；t = 1/f=1/215.37=0.004643 s；Dmin=（thmin/t）×100%=（0.693×10×103×0.1×10-6/0.004643）×100%≈15%；Dmax=（thmax/ t）×100%=（0.693×57×103×0.1×10-6/0.004643）×100%≈85%。

2 PWM信號發(fā)生器的制作

整個電路的元器件成本約在1 5元左右，由于電路十分簡單，為節(jié)約成本，PCB板采用通用PCB板，外殼也采用大小合適的通用儀表盒或利用報廢的BCM總成（或其它合適的電器總成）的外殼改制而成。按電路原理圖將所有元件正確焊接和連接后，一般不需調(diào)試，通電后既能正常工作。制作完成的信號發(fā)生器見圖5。實際的PWM輸出波形見圖6，波形1為NE555第2、6腳的波形，波形2為第3腳的波形。

圖5 PWM信號發(fā)生器實物照片

圖6 PWM信號發(fā)生器占空比的實測波形圖

3 PWM信號發(fā)生器的主要性能指標(biāo)

PWM信號發(fā)生器的主要性能指標(biāo)見表2。

表2 PWM信號發(fā)生器的主要性能指標(biāo)

4 PWM信號發(fā)生器的應(yīng)用

本PWM信號發(fā)生器的應(yīng)用十分廣泛又極其簡單，整車上凡是用到PWM控制技術(shù)的地方，均可用它來進(jìn)行調(diào)試。其使用方法是：將發(fā)生器的電源正極和搭鐵分別連接到整車的電源正極和搭鐵上，將信號發(fā)生器的PWM信號輸出端連接到需要調(diào)試的整車電器總成件的PWM輸入端上，并給其正常供電；然后將開關(guān)K和電位器W2調(diào)節(jié)到合適位置，并調(diào)節(jié)W1，同時檢查和觀察被試件的工作情況是否正常即可。

該信號發(fā)生器已被成功地運用到我公司多個項目的產(chǎn)品開發(fā)中，發(fā)揮了極其重要的作用。