簡單實用的汽車整車電控系統調試用PWM信號發生器

劉 源，張沖子，葛渝清

（北汽銀翔汽車有限公司研發一中心電器開發所，重慶 401533）

近年來，隨著電子技術和微控制器在汽車上的廣泛應用，整車上的電動執行機構及電控系統普遍采用了脈沖寬度調制技術（Pulse Width Modulation，簡稱PWM技術）來進行各種電機及電器的無級調速和調功等控制，從而實現風速、流量、亮度、扭矩、功率等參數的精確調節和控制。該技術具有控制靈活、執行可靠、實現容易、成本低廉等特點，但該技術給整車電器及電控系統的匹配和調試帶來了新的挑戰，特別是在雜合車或樣車試制階段，給調試工作增加了不小的難度。為此，我們設計制作了“簡單實用的汽車整車電控系統調試用PWM信號發生器”（以下簡稱PWM信號發生器），較好地解決了這一難題。下文簡單介紹其工作原理、結構及應用。

1 PWM信號發生器的原理及結構

1.1 特點簡介

本信號發生器以555定時器集成電路為核心電路構成，具有結構簡單、使用方便、體積小巧、制作容易、成本低廉等優點。

1.2 555定時器簡介

555定時器集成電路是一種用途極其廣泛的由模擬電路和數字電路混合構成的通用集成電路，它由美國signetics公司于1972年推出。由于它的分壓電路采用了3個5kΩ的電阻，且其常用來制作定時器電路，所以簡稱555定時器。利用它能極方便地構成施密特觸發器、單穩態觸發器、雙穩態觸發器、多諧振蕩器、壓控振蕩器、各種報警器甚至D類功放等豐富多彩的應用電路。

555定時器的電路原理框圖見圖1，它主要由分壓器（R1～R3，3個5 kΩ的電阻）、2個比較器（CA1、CA2）、1個RS觸發器（RSF）、放電開關管（VT）及輸出緩沖器（G）等5部分組成。555定時器的功能表見表1。

圖1 555定時器電路原理框圖

表1 555定時器功能表

555芯片引腳排列（雙列直插封裝）如圖2所示，引腳定義如下。

圖2 555定時器電路引腳排列圖

1腳（GND）：搭鐵。

2腳（TL）：觸發輸入端。當2腳電壓小于1Vcc/3時，CA2的輸出為1，RSF置位。3腳輸出高電平。

3腳（Q）：輸出端。為高電位時，接近電源電壓+Vcc，輸出電流最大可達200 mA。

4腳（RD）：復位端。當4腳電位小于0.4V時，不管2腳、6腳狀態如何，輸出端3腳都輸出低電平。

5腳（CV）：控制端。在壓控振蕩器中常作電壓控制輸入端。

6腳（TH）：閾值輸入端。當6腳電壓大于2Vcc/3時，CA1的輸出為1，RSF復位。3腳輸出低電平，但有一個先決條件，即2腳電位必須大于1Vcc/3時才有效（注：也即不能同時出現2腳小于1Vcc/3，而6腳又大于2 Vcc/3的情況，此時RS觸發器的狀態將無法確定）。

7腳（FD）：放電端。與3腳輸出同步，輸出電平一致。8腳（+Vcc）：電源正端。

1.3 PWM信號發生器的原理及結構簡介

本PWM信號發生器的電路原理圖見圖3。它以555定時器為核心構成多諧振蕩器，其工作過程如下：當接通電源時，Vcc通過R1、D2和W1的右半部分向C1（或C2）充電，在IC的2、6腳達到2Vcc/3前，IC的3腳輸出高電平，高電平的維持時間取決于R1、W1右和C1（或C2）的值，即th≈0.693×（R1+W1右） ×C。當IC的2、6腳達到2Vcc/3時，IC的狀態翻轉，IC的3腳輸出低電平，同時，IC的7腳也為低電平，此時，C1（或C2）通過D1、R2、W1左放電，而低電平的維持時間取決于R2、W1左和C1（或C2）的值。即tl≈0.693×（R2+W1左）×C。當IC的2、6腳由于C1（或C2）的放電低于1Vcc/3時，IC的狀態將再次翻轉，3腳重新變成高電平，進入下一個循環。周而復始，形成振蕩。振蕩周期t=th+tl≈0.693×（R1+W1右）×C+0.693×（R2+W1左）×C，則振蕩頻率f =1/ t。而占空比D=［th/（th+ tl）］ ×100%。由此可見，通過改變C1或C2可以改變振蕩頻率，而通過調節W1就可以改變占空比。其振蕩波形見圖4。

圖3 PWM信號發生器電路原理圖

圖4 PWM信號發生器波形圖

在圖3中D1和D2的作用是將充電回路和放電回路隔離，以便調節占空比。開關K用于選擇C1或C2連接到電路中，用于調節振蕩頻率。R3、W2和R4組成分壓電路，用于調節輸出電壓的高低。

1.4 PWM信號發生器的振蕩頻率及占空比計算

1）當C1=0.01μF時

根據1.3的相關計算公式，有：

f =1.443/［（20+47）×103×0.01×10-6］=2.1537×103=2.1537 kHz；t=1/ f=1/2153.7=0.0004643 s；Dmin=（thmin/t）×100%=（0.693×10×103×0.01×10-6/0.0004643）×100%≈15%；Dmax=（thmax/t）×100%=（0.693×57×103×0.01×10-6/0.0004643） ×100%≈85%。

2）當C2=0.1μF時

根據1.3的相關計算公式，有：

f=1.4 4 3/［（2 0+4 7）×1 03×0.1×1 0-6］=2.1537×102=215.37 Hz；t = 1/f=1/215.37=0.004643 s；Dmin=（thmin/t）×100%=（0.693×10×103×0.1×10-6/0.004643）×100%≈15%；Dmax=（thmax/ t）×100%=（0.693×57×103×0.1×10-6/0.004643）×100%≈85%。

2 PWM信號發生器的制作

整個電路的元器件成本約在1 5元左右，由于電路十分簡單，為節約成本，PCB板采用通用PCB板，外殼也采用大小合適的通用儀表盒或利用報廢的BCM總成（或其它合適的電器總成）的外殼改制而成。按電路原理圖將所有元件正確焊接和連接后，一般不需調試，通電后既能正常工作。制作完成的信號發生器見圖5。實際的PWM輸出波形見圖6，波形1為NE555第2、6腳的波形，波形2為第3腳的波形。

圖5 PWM信號發生器實物照片

圖6 PWM信號發生器占空比的實測波形圖

3 PWM信號發生器的主要性能指標

PWM信號發生器的主要性能指標見表2。

表2 PWM信號發生器的主要性能指標

4 PWM信號發生器的應用

本PWM信號發生器的應用十分廣泛又極其簡單，整車上凡是用到PWM控制技術的地方，均可用它來進行調試。其使用方法是：將發生器的電源正極和搭鐵分別連接到整車的電源正極和搭鐵上，將信號發生器的PWM信號輸出端連接到需要調試的整車電器總成件的PWM輸入端上，并給其正常供電；然后將開關K和電位器W2調節到合適位置，并調節W1，同時檢查和觀察被試件的工作情況是否正常即可。

該信號發生器已被成功地運用到我公司多個項目的產品開發中，發揮了極其重要的作用。