伺服电机驱动控制器讲解.docx
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伺服电机驱动控制器讲解
一、伺服驱动概述…………………………………………………………1
二、本产品特性……………………………………………………………2
三、电路原理图及PCB版图………………………………………………4
四、电路功能模块分析……………………………………………………4
五、焊接(附元件清单)…………………………………………………14
六、编者设计体会…………………………………………………………16
一.伺服驱动概述
1.伺服电机的概念
伺服电机是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,作为一种执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出,是一种补助马达间接变速装置。
伺服电机是可以连续旋转的电-机械转换器,直流伺服电机的输出转速与输入电压成正比,并能实现正反向速度控制。
2.伺服电机分类
普通直流伺服电动机
直流伺服电机{低惯量直流伺服电动机
直流力矩电动机
3.控制系统对伺服电动机的基本要求
宽广的调速范围
机械特性和调节特性均为线性
无“自转”现象
快速响应
控制功率小、重量轻、体积小等。
4.直流伺服电机的基本特性
(1)机械特性在输入的电枢电压Ua保持不变时,电机的转速n随电磁转矩M变化而变化的规律,称直流电机的机械特性
(2)调节特性直流电机在一定的电磁转矩M(或负载转矩)下电机的稳态转速n随电枢的控制电压Ua变化而变化的规律,被称为直流电机的调节特性
(3)动态特性从原来的稳定状态到新的稳定状态,存在一个过渡过程,这就是直流电机的动态特性
5.直流伺服电机的驱动原理
伺服主要靠脉冲来定位,基本上可以这样理解,伺服电机接收到1个脉冲,就会旋转1个脉冲对应的角度,从而实现位移,因为,伺服电机本身具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,这样,和伺服电机接受的脉冲形成了呼应,或者叫闭环,如此一来,系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机,同时又收了多少脉冲回来,这样,就能够很精确的控制电机的转动,从而实现精确的定位,可以达到0.001mm
直流伺服电机分为有刷和无刷电机。
有刷电机成本低,结构简单,启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护方便(换碳刷),产生电磁干扰,对环境有要求。
因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
无刷直流伺服电机电机体积小,重量轻,出力大,响应快,速度高,惯量小,转动平滑,力矩稳定。
容易实现智能化,其电子换相方式灵活,可以方波换相或正弦波换相。
电机免维护不存在碳刷损耗的情况,效率很高,运行温度低噪音小,电磁辐射很小,长寿命,可用于各种环境
6.步进电机:
直流伺服电机,它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器,所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成,按电刷类型可分为有刷直流伺服电机和无刷直流伺服电机;直流伺服电机的基本特性如下:
1、机械特性在输入的电枢电压Ua保持不变时,电机的转速n随电磁转矩M变化而变化的规律,称直流电机的机械特性。
2、调节特性直流电机在一定的电磁转矩M(或负载转矩)下电机的稳态转速n随电枢的控制电压Ua变化而变化的规律,被称为直流电机的调节特性。
3、动态特性从原来的稳定状态到新的稳定状态,存在一个过渡过程,这就是直流电机的动态特性。
二、本产品特性
此产品为直流电机驱动器,可控制电机的转速,分几个档位,旋动档位可设定电机以不同的速度转动。
此产品可用于带电机的机器的电机控制部分,具有很高的性能。
产品基本特性如下:
本产品是基于MC33030直流伺服电机控制器/驱动器芯片的具有过流保护功能的大功率高精度电机控制系统。
该驱动电路输入24V直流电压,为H桥供电,提供大电流驱动直流电机(MC33030驱动能力较弱),经稳压后为芯片供电,并输出5v直流电压,经档位控制分压后,作为基准,输入到MC33030主控芯片;该电路带有微调模块,可以对基准电压进行微调;具有反馈功能,将反馈信号输入MC33030,进行闭环控制;具有过流保护功能,防止电机损坏。
该产品由电源模块,主控芯片MC33030电路,H驱动桥模块,过流保护模块,微调模块,平衡模块组成。
各模块作用如下:
①电源模块:
输入为21V直流电,输出12V,5V直流电,并通过自举电路产生24V电源给H桥供电
②微调模块:
微调电机速度
③平衡模块:
电路结构与微调电路相似。
通过U5D引入正反馈,输出接到微调电路比较器的同相输入端。
与S10共同影响U1A的输出。
④MC33030伺服模块:
MC33030是单片的直流伺服电机控制器。
⑤H桥:
增加电路驱动能力,实现大功率输出。
⑥过流保护模块:
防止过载烧毁电路
伺服电机驱动器特性
--使用MC33030伺服驱动芯片,可靠性高,带保护功能
--支持正传与反转控制,速度控制
--高输出功率,高电源转换效率
--抗干扰能力强,适用于各种复杂电磁环境
--21V直流电源供电
--内部12V,5V直流电电压调整和稳压,并通过自举电路产生24V电源给H桥供电。
--微调电机速度
--过流保护,防止过载烧毁电路
PCB板特性
--双面线路板
--工艺:
FR-4喷锡板
--厚度:
1.6mm
--阻焊:
绿色
应用
--汽车油门控
--直流电机驱动
三、电路原理图
PCB:
四、电路功能模块分析
(一)系统框图
该系统划分为以下几部分:
①电源模块:
该电源模块的输入为21V直流电,输出12V,5V直流电,并通过自举电路产生24V电源给H桥供电。
②微调模块:
微调电机速度
③平衡模块
④MC33030伺服模块
⑤H桥:
增加电路驱动能力,实现大功率输出。
⑥过流保护模块:
防止过载烧毁电路
系统框图如下所示:
(二)各模块详细分析
1、电源电路:
Q12和Q3采用集成稳压器7812和7805。
用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜。
该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压。
C14,C3,C15,C10,C9,C8,C5,C4,C16为滤波电容。
D1,D13为防反接保护二极管,D34,D14为防反灌二极管,Y是电源指示灯。
R32用于分压,防止7805过热损坏。
MG11019是达林顿复合管,用于过流保护,R1,R2,R3构成电源电流取样电路,电源电流过大会使Q1导通。
ZR1,ZR2时压敏电阻,用于过压保护,防止电路故障时损坏后级电路。
2、微调电路
该电路由四比较器U1(LM339)和四运放U2(LM2902)构成,待比较信号从S10,S15,S16,S14输入。
33K和15K电阻构成分压电路,用于衰减输入信号。
100pF电容用于滤除噪声。
八个1N4148二极管用于过压保护,防止输入电压高于电源或低于地。
LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器,该电压比较器的特点是:
1)失调电压小,典型值为2mV;2)电源电压范围宽,单电源为2-36V,双电源电压为±1V-±18V;3)对比较信号源的内阻限制较宽;4)共模范围很大,为0~(Ucc-1.5V)Vo;5)差动输入电压范围较大,大到可以等于电源电压;6)输出端电位可灵活方便地选用。
LM339类似于增益不可调的运算放大器。
每个比较器有两个输入端和一个输出端。
两个输入端一个称为同相输入端,用“+”表示,另一个称为反相输入端,用“-”表示。
用作比较两个电压时,任意一个输入端加一个固定电压做参考电压(也称为门限电平,它可选择LM339输入共模范围的任何一点),另一端加一个待比较的信号电压。
当“+”端电压高于“-”端时,输出管截止,相当于输出端开路。
当“-”端电压高于“+”端时,输出管饱和,相当于输出端接低电位。
两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态,因此,把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。
LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管,在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻(称为上拉电阻,选3-15K)。
选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。
因为当输出晶体三极管截止时,它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。
另外,各比较器的输出端允许连接在一起使用。
LM339的反向输入端接固定电平,输出为集电极开路,接电位器以便调节输出电压。
LM2902是通用四运放。
构成电压跟随器,用于降低输出电阻。
四只IN4007二极管用于选出四路中的最高输出电压。
3、平衡电路
电路结构与微调电路相似。
通过U5D引入正反馈,输出接到微调电路比较器的同相输入端。
与S10共同影响U1A的输出。
平衡电路是于产生相同和相反信号的电路,它将这些信号送入两个导线。
电路的平衡特性越好,信号的散射就越小,它的噪声抑制特性也越好(因此它的EMC性能就越好)。
4、H桥电路
图1中所示为一个典型的直流电机控制电路。
电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。
4个三极管组成H的4条垂直腿,而电机就是H中的横杠(注意:
图1及随后的两个图都只是示意图,而不是完整的电路图,其中三极管的驱动电路没有画出来)。
如图所示,H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。
要使电机运转,必须导通对角线上的一对三极管。
根据不同三极管对的导通情况,电流可能会从左至右或从右至左流过电机,从而控制电机的转向。
图1H桥驱动电路
要使电机运转,必须使对角线上的一对三极管导通。
例如,如图2所示,当Q1管和Q4管导通时,电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机,然后再经Q4回到电源负极。
按图中电流箭头所示,该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
当三极管Q1和Q4导通时,电流将从左至右流过电机,从而驱动电机按特定方向转动(电机周围的箭头指示为顺时针方向)。
图2H桥电路驱动电机顺时针转动
图3所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况,电流将从右至左流过电机。
当三极管Q2和Q3导通时,电流将从右至左流过电机,从而驱动电机沿另一方向转动(电机周围的箭头表示为逆时针方向)。
图3H桥驱动电机逆时针转动
使能控制和方向逻辑
驱动电机时,保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。
如果三极管Q1和Q2同时导通,那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。
此时,电路中除了三极管外没有其他任何负载,因此电路上的电流就可能达到最大值(该电流仅受电源性能限制),甚至烧坏三极管。
基于上述原因,在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。
图4所示就是基于这种考虑的改进电路,它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。
4个与门同一个“使能”导通信号相接,这样,用这一个信号就能控制整个电路的开关。
而2个非门通过提供一种方向输人,可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。
(与本节前面的示意图一样,图4所示也不是一个完整的电路图,特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。
)
图4具有使能控制和方向逻辑的H桥电路
采用以上方法,电机的运转就只需要用三个信号控制:
两个方向信号和一个使能信号。
如果DIR-L信号为0,DIR-R信号为1,并且使能信号是1,那么三极管Q1和Q4导通,电流从左至右流经电机(如图5所示);如果DIR-L信号变为1,而DIR-R信号变为0,那么Q2和Q3将导通,电流则反向流过电机。
图5使能信号与方向信号的使用
这是一个典型的直流电机控制电路。
电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。
4个三极管组成H的4条垂
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