基于脈寬調(diào)制功率放大器的伺服驅(qū)動設(shè)計(jì)

靳磊 楊國文 趙沖 李樂 劉濤

摘 ?要：針對目前伺服控制器中驅(qū)動功能簡單、保護(hù)措施少、效率低等問題，采用了新型脈寬調(diào)制功率放大器和相關(guān)邏輯電路相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種具有電流閉環(huán)和速度閉環(huán)功能的直流電機(jī)驅(qū)動器。設(shè)計(jì)的伺服驅(qū)動器輸出電流范圍廣、模塊化程度高，適用于多種伺服電機(jī)。文章給出了工程應(yīng)用中各器件的參數(shù)計(jì)算方法以及電流環(huán)和速度環(huán)參數(shù)整定調(diào)試步驟。通過在實(shí)際應(yīng)用測試表明文章設(shè)計(jì)的伺服驅(qū)動器速度精度高、使用可靠，具有較高的工程實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：伺服;脈寬調(diào)制;功率放大器;直流電機(jī)

中圖分類號：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）20-0078-03

Abstract： For the problems of simple driving function， less protection measures and low efficiency in the current servo controller，a new PWM power amplifier andrelated logic circuits are used to design a DC motor driver with the function of current closed-loop and speed closed-loop. The designed servo driver has a wide range of output current and a high degree of modularity， which is suitable for a variety of servo motors. In this paper， the parameter calculation method of each device in engineering application and the adjustment and debugging steps of current loop and speed loop parameters are given. The practical application test shows that the servo driver designed in this paper has high speed accuracy， reliable use and high engineering practicability.

Keywords： servo; PWM; power amplifier; DC motor

引言

傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動大多采用線性功率放大器，由于器件本身不能承受過大的電流，因此線性功率放大器具有低電壓、輸出功率小、效率低等特點(diǎn)，不太適合當(dāng)前直流電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)效率高、功率大等應(yīng)用需求。脈寬調(diào)制功率放大器是按照固定頻率接通和斷開功率放大器，并根據(jù)需要改變接通與斷開時間比例，因此達(dá)到調(diào)整平均電壓的目的，其晶體管損耗較小、效率高，可以輸出較高的驅(qū)動功率。

1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，本設(shè)計(jì)硬件分別由脈寬調(diào)職功率放大器電路、電流檢測電路、電流環(huán)閉環(huán)電路、速度環(huán)閉環(huán)電路、過流保護(hù)電路、邏輯保護(hù)電路組成。整個系統(tǒng)可以接收邏輯控制信號來控制系統(tǒng)工作還是禁止，接收外部直流速度給定信號控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，同時也可以輸出系統(tǒng)故障信號。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 功放電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中使用的脈寬調(diào)制放大器信號為SA01，該模塊輸出連續(xù)電流為10A，最大輸出電流為20A，具有過流保護(hù)外調(diào)、脈寬控制外調(diào)、使能禁止、過熱保護(hù)功能，開關(guān)頻率為300Hz-20KHz，寬溫工作，全金屬外殼氣密封裝，體積小、可靠性較高。

脈寬調(diào)制放大器電路如圖2所示，引腳1、2、14、15為輸出端，分別接直流電機(jī)的兩端，其中一路要先接電流檢測電路后再輸出至電機(jī);引腳3、4、5為電流傳感器，在此因有外部電流檢測可以不用;引腳6為地;引腳7為直流信號輸出端，信號范圍-10V至+10V，再輸入小于-9V時，OUTA的占空比為0%，0V時OUTA占空比約為50%，輸入大于+9V時，OUTA輸出占空比為100%，OUTA和OUTB輸出反向;引腳16、17、18為電機(jī)驅(qū)動電壓;引腳13為邏輯電壓輸入。

2.2 電流檢測電路

電機(jī)反饋電流檢測電路如圖3所示，所使用的電流傳感器為LA25-NP，最大檢測電流為35A，其檢測關(guān)系為：

2.3 電流環(huán)路設(shè)計(jì)

電流環(huán)電路設(shè)計(jì)如圖4所示，運(yùn)放N5的作用是將輸入的電流給定信號Vs與電流檢測到的實(shí)際電流信號Vc做比較，從而得出一個誤差值，其誤差值為：

2.4 速度環(huán)路設(shè)計(jì)

電流環(huán)的設(shè)計(jì)如圖5所示，運(yùn)放N10是將測速機(jī)的信號成比例放大，從而與后端速度環(huán)做差相匹配，其關(guān)系為：

2.5 保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)

為保護(hù)電機(jī)和驅(qū)動電路的安全，要檢測驅(qū)動電路的電流是否過流，如果過流的化需要關(guān)閉驅(qū)動信號;另外在接收外部故障信號時也應(yīng)當(dāng)關(guān)閉電機(jī)驅(qū)動以保護(hù)人員與設(shè)備的安全。

過流信號檢測電路如圖6所示，電流Vc經(jīng)過運(yùn)放N7得到Vc絕對值;運(yùn)放N9通過調(diào)節(jié)電位計(jì)RP1，可以調(diào)劑放大比例;運(yùn)放N6為電壓比較電路，其正輸入端電壓確定，負(fù)輸入端通過運(yùn)放N9電路可調(diào)節(jié)，當(dāng)電機(jī)電流大于參考電流時Vcd為正輸出，否則為零電壓輸出。

設(shè)計(jì)的邏輯保護(hù)如圖6所示，邏輯芯片為4路與非門CD4011，SE55芯片與其它阻容組成延時電路。當(dāng)Vcd為零電平時為電機(jī)正常工作，此時SE555中的C13充電完成，當(dāng)電機(jī)過流時，Vcd跳變?yōu)楦唠娖?，C13開始放電，放電時間約為：

3 參數(shù)整定

在調(diào)試過程中最為重要的調(diào)試就是電流環(huán)路和速度環(huán)路的PI調(diào)節(jié)，在此以圖4中的電流環(huán)路為例進(jìn)行PI參數(shù)的整定，其中比例系數(shù)為：

在工程應(yīng)用調(diào)試時，首先去掉電路中的積分項(xiàng)，即先把C10短路，此時為純比例電路，將輸入設(shè)定為最大輸入值的60%，調(diào)節(jié)R7的阻值，是Kp逐漸增大，直至系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，然后再反過來逐漸減小R7的阻值，直到系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時R7的阻值，然后選用0.6倍R7阻值的電阻代替R7，此時即為確定的Kp值;確定比例系數(shù)后選擇一個較大的電容代替C10，將之前的短路去掉，然后逐漸減小C10的容值，直至系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，然后反過來逐漸增大C10的容值，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時C10的容值，然后選用1.5倍的電容替代，此時就完成系統(tǒng)PI的調(diào)試，然后通過測試系統(tǒng)的階躍響應(yīng)對相關(guān)阻容做小范圍調(diào)節(jié)即可。

4 實(shí)際測試結(jié)果

對設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路進(jìn)行實(shí)際測試，主要測試速度環(huán)的階躍響應(yīng)和各個速度的運(yùn)行精度。

測試的速度環(huán)階躍響應(yīng)如圖7所示，速度環(huán)響應(yīng)迅速，超調(diào)較小，小于10%。各速度運(yùn)行曲線如圖8所示，各個速度運(yùn)行平穩(wěn)，誤差不超5%。

5 結(jié)論

根據(jù)本文設(shè)計(jì)，研制出的伺服驅(qū)動器經(jīng)過實(shí)際測試，該伺服驅(qū)動工作穩(wěn)定可靠，性能良好，完全符合工程應(yīng)用，驗(yàn)證了相關(guān)理論和整定方法，對相關(guān)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡發(fā)煥，楊杰，邱小童.大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2009（10）：77-80.

[2]韓海云，劉軍，秦海鴻，等.永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)速度環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2013，35（1）：63-67.

[3]陳永剛，閻秋生.基于速度環(huán)增益調(diào)度PI算法的直線電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)制動化，2013，35（6）：107-113.

[4]殷留留，韓森，王芳，等.基于L298N的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2017，6（24）：104-107.

[5]吳戰(zhàn)武，馬可，袁瀟，等.基于速度和轉(zhuǎn)矩的電機(jī)混合驅(qū)動控制方法研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2019，40（3）：92-97.

[6]楊林，劉曰濤，沈?qū)毭瘢?無刷直流電機(jī)PI控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及分析[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，33（1）：81-87.

[7]徐莉.直流電機(jī)控制方法的Matlab仿真研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（3）：151-15.