龍海峰 張巍 何雨昂 曹英健
摘要
本文介紹了一種電動舵機(jī)模擬控制器的原理、功能組成以及小型化設(shè)計方法,分析了控制電路和驅(qū)動電路結(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伺服控制領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】電動舵機(jī) 控制器 電動伺服
1 概述
目前,在中小功率電動舵機(jī)控制器產(chǎn)品中,模擬控制器以其自身的優(yōu)點在市場競爭中占有一席之地,研制一種體積小、成本低、可靠性和可維護(hù)性好的電動舵機(jī)模擬控制器具有極高的實用價值。本文介紹的電動舵機(jī)模擬控制器具有以下特點:
(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)動模式,在保證可靠驅(qū)動的基礎(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
2.1 控制原理
為了提高電動舵機(jī)的可靠性和響應(yīng)性能,舵機(jī)控制電路通過一個精密反饋電位計構(gòu)成閉環(huán)控制??刂破鹘邮苌霞壙刂葡到y(tǒng)指令電壓信號Ur,舵擺角位置與電位計輸出的電壓信號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,以此作為指令信號送入MC33035,該芯片輸出一定占空比的PWM信號,控制功率電路中MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷,從而實現(xiàn)對舵機(jī)的閉環(huán)控制。電動舵機(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
指令信號與反饋信號通過運(yùn)算放大器求和后進(jìn)行比例放大運(yùn)算。具體實現(xiàn)電路如圖2所示。
PWM控制芯片MC33035要根據(jù)ERA+管腳指令電壓信號的大小來控制PWM波的占空比,指令電壓信號必須為正值;根據(jù)FWD/RV管腳的電壓信號來確定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)方向,高電平時電機(jī)正轉(zhuǎn),低電平時電機(jī)反轉(zhuǎn)。因此,在控制算法電路中設(shè)計了相應(yīng)的絕對值電路和符號電路,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
MC33035是專門針對電機(jī)控制而設(shè)計的專用集成電路,內(nèi)含誤差放大器、三角波放大器、脈寬調(diào)制器、輸出驅(qū)動門、限流電路、欠壓封鎖電路等。MC33035共可輸出六路PWM信號,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管腳來實現(xiàn)。
2.4 功率電路設(shè)計
功率器件是模擬控制器中的關(guān)鍵器件之一,也是整個控制系統(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
為了盡可能減小模擬控制器的體積,在設(shè)計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。采用DSP或單片機(jī)的數(shù)字控制器外圍電路復(fù)雜,設(shè)計成本相對較高,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舵機(jī),工作性能良好,能夠較好滿足設(shè)計要求。與一般的數(shù)字式電動舵機(jī)控制器相比,所占用的空間體積小,設(shè)計和生產(chǎn)成本較低,且使用方便、可維護(hù)性好。模擬式電動舵機(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。
參考文獻(xiàn)
[1]薛安克,彭冬亮,陳雪亭.自動控制原理[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2004(06).
[2]陳隆昌,閻治安,劉新正.控制電機(jī)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2000(05).
[3]李成,鄒建華.基于MC33035的小功率無刷電機(jī)PWM系統(tǒng)[J].電氣傳動自動化,2000,22(06):13-15.