基于脈寬調制功率放大器的伺服驅動設計

靳磊 楊國文 趙沖 李樂 劉濤

摘 ?要：針對目前伺服控制器中驅動功能簡單、保護措施少、效率低等問題，采用了新型脈寬調制功率放大器和相關邏輯電路相結合的設計方法，設計了一種具有電流閉環和速度閉環功能的直流電機驅動器。設計的伺服驅動器輸出電流范圍廣、模塊化程度高，適用于多種伺服電機。文章給出了工程應用中各器件的參數計算方法以及電流環和速度環參數整定調試步驟。通過在實際應用測試表明文章設計的伺服驅動器速度精度高、使用可靠，具有較高的工程實用性。

關鍵詞：伺服;脈寬調制;功率放大器;直流電機

中圖分類號：TM33 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）20-0078-03

Abstract： For the problems of simple driving function， less protection measures and low efficiency in the current servo controller，a new PWM power amplifier andrelated logic circuits are used to design a DC motor driver with the function of current closed-loop and speed closed-loop. The designed servo driver has a wide range of output current and a high degree of modularity， which is suitable for a variety of servo motors. In this paper， the parameter calculation method of each device in engineering application and the adjustment and debugging steps of current loop and speed loop parameters are given. The practical application test shows that the servo driver designed in this paper has high speed accuracy， reliable use and high engineering practicability.

Keywords： servo; PWM; power amplifier; DC motor

引言

傳統的電機驅動大多采用線性功率放大器，由于器件本身不能承受過大的電流，因此線性功率放大器具有低電壓、輸出功率小、效率低等特點，不太適合當前直流電機驅動設計效率高、功率大等應用需求。脈寬調制功率放大器是按照固定頻率接通和斷開功率放大器，并根據需要改變接通與斷開時間比例，因此達到調整平均電壓的目的，其晶體管損耗較小、效率高，可以輸出較高的驅動功率。

1 系統組成

如圖1所示，本設計硬件分別由脈寬調職功率放大器電路、電流檢測電路、電流環閉環電路、速度環閉環電路、過流保護電路、邏輯保護電路組成。整個系統可以接收邏輯控制信號來控制系統工作還是禁止，接收外部直流速度給定信號控制電機旋轉速度，同時也可以輸出系統故障信號。

2 硬件電路設計

2.1 功放電路設計

本設計中使用的脈寬調制放大器信號為SA01，該模塊輸出連續電流為10A，最大輸出電流為20A，具有過流保護外調、脈寬控制外調、使能禁止、過熱保護功能，開關頻率為300Hz-20KHz，寬溫工作，全金屬外殼氣密封裝，體積小、可靠性較高。

脈寬調制放大器電路如圖2所示，引腳1、2、14、15為輸出端，分別接直流電機的兩端，其中一路要先接電流檢測電路后再輸出至電機;引腳3、4、5為電流傳感器，在此因有外部電流檢測可以不用;引腳6為地;引腳7為直流信號輸出端，信號范圍-10V至+10V，再輸入小于-9V時，OUTA的占空比為0%，0V時OUTA占空比約為50%，輸入大于+9V時，OUTA輸出占空比為100%，OUTA和OUTB輸出反向;引腳16、17、18為電機驅動電壓;引腳13為邏輯電壓輸入。

2.2 電流檢測電路

電機反饋電流檢測電路如圖3所示，所使用的電流傳感器為LA25-NP，最大檢測電流為35A，其檢測關系為：

2.3 電流環路設計

電流環電路設計如圖4所示，運放N5的作用是將輸入的電流給定信號Vs與電流檢測到的實際電流信號Vc做比較，從而得出一個誤差值，其誤差值為：

2.4 速度環路設計

電流環的設計如圖5所示，運放N10是將測速機的信號成比例放大，從而與后端速度環做差相匹配，其關系為：

2.5 保護邏輯設計

為保護電機和驅動電路的安全，要檢測驅動電路的電流是否過流，如果過流的化需要關閉驅動信號;另外在接收外部故障信號時也應當關閉電機驅動以保護人員與設備的安全。

過流信號檢測電路如圖6所示，電流Vc經過運放N7得到Vc絕對值;運放N9通過調節電位計RP1，可以調劑放大比例;運放N6為電壓比較電路，其正輸入端電壓確定，負輸入端通過運放N9電路可調節，當電機電流大于參考電流時Vcd為正輸出，否則為零電壓輸出。

設計的邏輯保護如圖6所示，邏輯芯片為4路與非門CD4011，SE55芯片與其它阻容組成延時電路。當Vcd為零電平時為電機正常工作，此時SE555中的C13充電完成，當電機過流時，Vcd跳變為高電平，C13開始放電，放電時間約為：

3 參數整定

在調試過程中最為重要的調試就是電流環路和速度環路的PI調節，在此以圖4中的電流環路為例進行PI參數的整定，其中比例系數為：

在工程應用調試時，首先去掉電路中的積分項，即先把C10短路，此時為純比例電路，將輸入設定為最大輸入值的60%，調節R7的阻值，是Kp逐漸增大，直至系統產生振蕩，然后再反過來逐漸減小R7的阻值，直到系統振蕩消失，記錄此時R7的阻值，然后選用0.6倍R7阻值的電阻代替R7，此時即為確定的Kp值;確定比例系數后選擇一個較大的電容代替C10，將之前的短路去掉，然后逐漸減小C10的容值，直至系統產生振蕩，然后反過來逐漸增大C10的容值，直至系統振蕩消失，記錄此時C10的容值，然后選用1.5倍的電容替代，此時就完成系統PI的調試，然后通過測試系統的階躍響應對相關阻容做小范圍調節即可。

4 實際測試結果

對設計的驅動電路進行實際測試，主要測試速度環的階躍響應和各個速度的運行精度。

測試的速度環階躍響應如圖7所示，速度環響應迅速，超調較小，小于10%。各速度運行曲線如圖8所示，各個速度運行平穩，誤差不超5%。

5 結論

根據本文設計，研制出的伺服驅動器經過實際測試，該伺服驅動工作穩定可靠，性能良好，完全符合工程應用，驗證了相關理論和整定方法，對相關設計具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]胡發煥，楊杰，邱小童.大功率直流電機驅動電路的設計[J].機械與電子，2009（10）：77-80.

[2]韓海云，劉軍，秦海鴻，等.永磁同步電機伺服系統速度環優化設計[J].現代雷達，2013，35（1）：63-67.

[3]陳永剛，閻秋生.基于速度環增益調度PI算法的直線電機控制系統設計[J].制造業制動化，2013，35（6）：107-113.

[4]殷留留，韓森，王芳，等.基于L298N的直流電機調速系統的設計與應用[J].信息技術，2017，6（24）：104-107.

[5]吳戰武，馬可，袁瀟，等.基于速度和轉矩的電機混合驅動控制方法研究[J].兵器裝備工程學報，2019，40（3）：92-97.

[6]楊林，劉曰濤，沈寶民，等.無刷直流電機PI控制系統的設計及分析[J].西安工程大學學報，2019，33（1）：81-87.

[7]徐莉.直流電機控制方法的Matlab仿真研究[J].現代電子技術，2016，39（3）：151-15.