一種基于PWM技術的直流伺服控制系統設計

孫啟順 李久超

摘 要：直流伺服系統在高精度控制場合應用廣泛，而PWM控制技術是直流伺服系統中普遍采用的控制方式。本文針對交磁電機擴大機—直流電動機驅動方式，設計了一種簡單而又高精度控制電路，并從信號傳遞角度分析了系統控制原理。

關鍵詞：直流伺服控制系統 PWM控制技術 電路設計

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（a）-0022-02

直流伺服控制系統在高精度、寬調速范圍、精準位置控制等場合具有廣泛應用，特別是在裝甲車輛火炮驅動控制中，普遍采用直流伺服控制模式。隨著電子技術特別是大規模集成電路和大功率晶體管的發展，PWM控制成為現代伺服驅動系統的方向，受到越來越多的重視。PWM控制與一般晶閘管驅動裝置相比具有如下優點：需要的大功率器件少，線路簡單；調速范圍寬；快速性好；低速穩定性好；電流波形系數好，附加損耗小等，因此具有很好的應用前景。

本文針對交磁電機擴大機——直流電動機驅動方式，設計了一種基于PWM技術的控制系統，通過主控信號改變電機擴大機的激磁來改變電機擴大機的輸出電壓，從而達到控制直流電動機旋轉方向和轉速的目的。

1 電路設計

控制電路如圖1所示。主要由控制信號處理電路、三角波發生器電路、比較器電路、開關電路等組成。

1.1 控制信號處理電路

控制信號處理電路由芯片N1～N4、電阻R1～R14、電位器RP1和RP2組成，其作用是將控制信號進行處理并分為兩路信號，以實現電動機旋轉方向的控制。

1.2 三角波發生器電路

三角波發生器電路由芯片N5和N6、電阻R15～R19和電容C1組成，其作用是產生一個固定頻率的三角波信號。

1.3 比較器電路

比較器電路由芯片N7、電阻R20～R23、電位器RP3組成，其作用是將處理后的控制信號與三角波信號進行比較，輸出脈寬可調的脈沖電壓。

1.4 開關電路

開關電路由三極管V3～V6、二極管V1、V2、V7、V8、電阻R24～R27組成，其作用是在比較器輸出的脈沖電壓控制下，通過三極管交替通斷為電機擴大機提供激磁電流。

2 信號分析

控制信號U0由主控指令和各種反饋信號綜合后輸入到運放N1的輸入端。

2.1 當控制信號為零時

沒有控制信號時，運放N1輸出為零，運放N2反相端加負電壓，經N2處理后，將正電壓輸出給比較器N7A的反相端；運放N3的反相端加正電壓，經N3、N4處理后，將正電壓輸出給比較器N7B的反相端。經與三角波比較后，比較器N7A和N7B輸出兩路相位相同、占空比相等的方波脈沖信號，一個周期內V3、V4與V5、V6導通時間相等，因此電機擴大機總激磁磁通為零，電機擴大機不發電。

2.2 當控制信號為負時

控制信號為負時，運放N1有正電壓輸出，運放N2輸出電壓降低，此時比較器N7A輸出的脈沖電壓占空比增大。顯然控制信號越大，N7A輸出的脈沖電壓占空比越大。運放N1有正電壓輸出時，經運放N3、N4處理，比較器N7B輸出的脈沖電壓占空比減小。顯然控制信號越大，N7B輸出的脈沖電壓占空比越小，如圖2所示。這樣，一個周期內V3、V4導通時間大于V5、V6導通時間，因此電機擴大機總激磁磁通不為零（總磁通與JC1產生的磁通方向一致），電機擴大機發電。控制信號越大，V3、V4與V5、V6導通時間差越大，電機擴大機發出的電壓越高。

2.3 當控制信號為正時

控制信號為正時，運放N1有負電壓輸出，運放N2輸出電壓升高，此時比較器N7A輸出的脈沖電壓占空比減小。顯然控制信號越大，N7A輸出的脈沖電壓占空比越小。運放N1有負電壓輸出時，經運放N3、N4處理，比較器N7B輸出的脈沖電壓占空比增大。顯然控制信號越大，N7B輸出的脈沖電壓占空比越大。一個周期內V5、V6導通時間大于V3、V4導通時間，因此電機擴大機總激磁磁通不為零（總磁通與JC2產生的磁通方向一致），電機擴大機發出電壓極性相反。控制信號越大，電機擴大機發出的反向電壓越高。

3 主要參數選擇

R1為100k，R2、R4、R9、R12、R14、R20～R23為15k ，R3為130k，R5、R6、R8、R11為36k，R7為9.1k，R10為91k，R15、R16為56k，R17為27k，R18為16k，R19為75k，R24、R25為10k，R26、R27為1k/0.5W；RP1～RP3為20k。

V3、V6為3DG1821，V4、V5為3DK5，V1、V2為2CK75D，V7、V8為IN4004。

參考文獻

[1] 藏克茂.現代坦克炮控系統[M].國防工業出版社，2007.

[2] 樸慧京.火控系統構造原理[M].國防工業出版社，2013.