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