直流伺服系统pwm控制装置电气设计.docx

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直流伺服系统pwm控制装置电气设计目录第一章概论1.1本次设计的主要目的及意义41.2PWM的发展现状及趋势..41.3本次设计的主要工作....5第二章理论与分析2.1直流伺服驱动系统的组成原理及装置62.2直流电机PWM控制技术的原理..8第三章直流伺服系统PWM控制装置3.1直流电机PWM闭环调速系统153.2PWM调速装置.183.3PWM控制器在直流伺服系统中的运用.193.4电机驱动部分.243.5装置原理图及元件安装布置图.25第四章PWM控制装置的安装与调试4.1PWM控制装置的安装.294.2PWM控制装置的调试31致谢34参考文献35毕业设计任务书一设计题目直流伺服系统PWM控制装置电气设计二设计目的1）掌握数控机床直流PWM前置放大装置的功能。

2）掌握直流PWM控制装置电路组成3）掌握前置PWM硬件设计要求。

三设计要求一台CW6132的普通车床，利用半闭环直流驱动进行X轴1）半闭环直流PWM控制装置原理框图设计2）选择控制装置元器件3）安装调试说明四完成的技术资料要求说明详细，字迹工整，原理正确，元件选择有理。

图纸规范，图形清晰，符号标准，线条均匀，用计算机画图。

1）设计图纸装置原理图，元件安装布置图，接线图2）毕业设计说明书（15000，文字不少于6000字）3）设计题目4）设计方案论证5）控制原理说明6）元件明细表7）设计总结及改进意见8）主要参考资料五参考文献机床数控术基础数控技术电气自动控制原理与原理伺服系统与机床电气控制现代数控机床伺服系统及检测技术半导体器件手册第一章概论1.1本次设计的目的及意义本次设计的主要目的就是直流伺服系统PWM控制装置的电气设计。

通过本次设计进一步了解PWM控制技术在实际中的应用，并掌握直流伺服系统PWM的原理、功能及控制装置的组成。

1.2PWM的发展现状及趋势直流伺服技术是一个正在发展中的新技术领域，具有很好的发展前景。

近半个世纪以来，伺服控制技术及其系统在精密数控机床、加工中心、机人和工厂自动化等各个领域都有广泛的应用。

伺服控制经历了发电机一电动机系统、交磁电机、扩大机、晶闸管、集成电路和计算机等阶段的发展过程，至今已进入一个全新的时期。

其主要标志在（、电气时代2003年第2期-）于全控型的电力电子器件组成的脉冲宽度调制（PWM）技术在伺服驱动中得到了广泛的应用；智能功率集成电路和数字信号处理器（DSP）的出现使得伺服系统模块化和数字化容易实现，把过去许多认为只能在理论上成立，而在实际中无法应用的控制理论实用化。

当今高性能的伺服系统几乎都有计算机参与控制。

随着微电子和电力电子技术的发展，促使各种伺服电机控制的智能化功率集成电路得到应用，使得这类系统正朝着数字化、模块化的方向发展。

随着电力电子技术、单片机和微型计算机的高速发展，外围电路元件专用集成电路的不断出现，使得直流伺服电动机控制技术有了显著进步。

这些技术领域的高速发展，可以很容易地构成高精度、快响应的直流伺服系统，因而近年来世界各国在高精度、速度和位置控制场合（比如机床进给伺服系统、军用伺服系统），都已由电力半导体驱动装置取代了电液驱动。

特别是被人们誉为“未来伺服驱动装置”的晶体管脉冲宽度调制（PWM）直流伺服控制系统，受到了人们的普遍重视，从而得到迅速的发展和广泛的应用。

总而言之，微电子学的突飞猛进、大规模集成电路的成批生产和微型计算机的广泛使用，使得伺服控制技术获得迅速发展。

其中微处理器使现代控制理论在伺服系统中的应用得到有力的支持，架起了现代控制理论通向伺服系统领域的桥梁，大大改善了控制性能。

而电力电子学的最新成就，又促进了伺服系统的不断发展。

展望未来，新器件、新理论和新技术必将促使伺服系统朝着智能化的方向发展，赋予人工智能特性的伺服系统以及智能控制器在近几年内必将获得广泛应用随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：

相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而本文介绍的是在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法。

它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。

可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。

随着现代电力电子技术的不断发展，人们日益意识到低功率因数整流系统造成的谐波污染和电网公害，因此提高功率因数成为整流系统的发展趋势。

PWM整流器对电网不产生谐波污染，是一种真正意义上的绿色环保电力电子装置，也是解决谐波问题的根本措施。

1.3本次设计的主要工作1对PWM控制技术的原理分析2半闭环直流PWM控制装置原理框图设计3控制装置的元器件选择4安装调试说明第二章理论与分析2.1伺服驱动系统的组成原理及系统装置伺服驱动系统是CNC装置和机床的连接环节。

CNC装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统，转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。

伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。

伺服驱动系统的作用归纳如下：

1）伺服驱动系统能放大控制信号，具有输出功率的能力；2）伺服驱动系统根据CNC装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。

一.组成及原理图1.伺服驱动系统框图图1所示开环伺服系统原理图。

安装在滚轴丝杠上的位置检测元件把机械位移不便成位置数字量，并有位置反馈电路送到微机内部，该位置反馈量与输入微机的指令位置进行比较，如果不一致，微机送出差值信号，经驱动电路将差值信号进行变换、放大后驱动电动机，经减速装置带动工作台。

当比较后的差值信号为零时，电动机停止转动，此时，工作台移动到指令所只顶的位置。

图1中的测速发电机和速度反馈电路组成反馈回路可实现速度恒值控制。

测速发电机和伺服电动机同步旋转。

假如因外负载增大而使电动机的转速下降，则测速发电机的转速下降，经速度反馈电路，把转速变化的信号转变成电信号，送给驱动电路，与输入信号进行比较，比较后的差值信号经放大后，产生较大的驱动电压，从而使电动机转速上升，恢复到原来调定转速，使电动机排除负载表动的干扰，维持转速恒定不变。

该电路中，由速度反馈电路送出的转速信号是在驱动电路中进行比较，而由位置反馈电路送出的位置信号是在微机中进行比较。

比较的形式也不同，速度比较是通过硬件电路完成的，而位置比较是通过微机软件实现的。

图1伺服驱动系统结构原理图表示。

有上图原理图及框图可知，半闭环伺服驱动系统主要由以下几个部分组成：

1）驱动电路接受微机发出的指令，并将输入信号转换成电压信号，经过功率放大后，驱动电动机旋转。

转速的大小由指令控制。

若要实现恒速控制功能，驱动电路应能接受速度反馈信号，将反馈信号与微机的输入信号进行比较，将差值信号作为控制信号，使电动机保持恒速转动。

2）执行元件可以是直流电动机。

交流电动机，也可以是步进电动机。

3）传动装置包括减速箱和滚珠丝杠。

4）位置检测元件及反馈电路位置检测元件有直线感应同步器、光栅和磁尺等。

位置检测元件检测的位置信号由反馈电路转变成计算机能识别的反馈信号送入计算机，由计算机进行数据比较后送出差值信号。

测速发电机及反馈电路测速发电机实际上是小型发电机，发电机两端的电压值和发电机的转速成正比，故可以将转速的变化量转化为电压的变化量。

二直流伺服驱动系统装置伺服驱动系统的主要作用是把来自CNC装置的信号进行功率放大，以驱动伺服电动机转动，并根据来自CNC装置的信号指令，调节伺服电动机的速度。

一般机构如图1所示。

直流伺服驱动装置一般采用调压调速方式，按功率放大电路元件的不同，可分为晶闸管（SCR）直流伺服驱动系统和晶体管脉宽调制（PWM）直流伺服驱动系统两大类。

图1伺服驱动系统结构框图M图1伺服驱动系统结构框图2.2直流电机PWM控制原理PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或控制电压脉冲的宽度和周期以达到变压变频目的的一种控制技术。

图2.1给出PWM斩波器的工作原理电路及其输出波形。

图1.1PWM斩波器的工作原理电路及其输出波形假设V1先导通T1秒，然后又关断T2秒，如此反复进行，可得到图2.1（b）的波形图。

电机电枢端的平均电压如公式2.1。

（2.1）设，可定义为占空比。

设定输入电压不变，越大，电机电枢端的平均电压越大，反之也成立。

固改变值就可以达到调压的目的。

改变有三种方法：

第一种就是T1保持不变，使T2在0到之间变化，这叫定宽调频；第二种就是T2不变，使T1在0到之间变化，这叫调宽调频；第三种就是T保持一定，使T1在0到T间变化，这叫定频调宽。

（一）PWM技术的具体应用PWM软件法控制充电电流本方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电流。

本方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件，另外ADC的位数尽量高，单片机的工作速度尽量快。

在调整充电电流前，单片机先快速读取充电电流的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。

在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰，合理采用算术平均法等数字滤波技术。

软件PWM法具有以下优缺点。

优点：

简化了PWM的硬件电路，降低了硬件的成本。

利用软件PWM不用外部的硬件PWM和电压比较器，只需要功率MOSFET、续流磁芯、储能电容等元器件，大大简化了外围电路。

可控制涓流大小。

在PWM控制充电的过程中,单片机可实时检测ADC端口上充电电流的大小，并根据充电电流大小与设定的涓流进行比较，以决定PWM占空比的调整方向。

电池唤醒充电。

单片机利用ADC端口与PWM的寄存器可以任意设定充电电流的大小，所以，对于电池电压比较低的电池，在上电后，可以采取小电流充一段时间的方式进行充电唤醒，并且在小电流的情况下可以近似认为恒流，对电池的冲击破坏也较小。

缺点：

电流控制精度低。

充电电流的大小的感知是通过电流采样电阻来实现的，采样电阻上的压降传到单片机的ADC输入端口，单片机读取本端口的电压就可以知道充电电流的大小。

若设定采样电阻为Rsample（单位为Ω），采样电阻的压降为Vsample（单位为mV），10位ADC的参考电压为5.0V。

则ADC的1LSB对应的电压值为5000mV/1024≈5mV。

一个5mV的数值转换成电流值就是50mA，所以软件PWM电流控制精度最大为50mA。

若想增加软件PWM的电流控制精度，可以设法降低ADC的参考电压或采用10位以上ADC的单片机。

PWM采用软启动的方式。

在进行大电流快速充电的过程中，充电从停止到重新启动的过程中，由于磁芯上的反电动势的存在，所以在重新充电时必须降低PWM的有效占空比,以克服由于软件调整PWM的速度比较慢而带来的无法控制充电电流的问题。

充电效率不是很高。

在快速充电时，因为采用了充电软启动，再加上单片机的PWM调整速度比较慢，所以实际上停止充电或小电流慢速上升充电的时间是比较大的。

为了克服2和3缺点带来的充电效率低的问题，我们可以采用充电时间比较长，而停止充电时间比较短的充电方式，例如充2s停50ms，再加上软启动时的电流慢速启动折合成的停止充电时间，设定为50ms，则实际充电效率为（2000ms－100ms）/2000ms＝95％，这样也可以保证充电效率在90%以上。

（二）纯硬件PWM法控制充电电流由于单片机的工作频率一般都在4MHz左右，由单片机产生的PWM的工作频率是很低的，再加上单片机用ADC方式读取充电电流需要的时间，因此用软件PWM的方式调整充电电流的频率是比较低的，为了克服以上的缺陷，可以采用外部高速PWM的方法来控制充电电流。

现在智能充电器中采用的PWM控制芯片主要有TL494等,本PWM控制芯片的工作频率可以达到300kHz以上，外加阻容元件就可以实现对电池充电过程中的恒流限压作用，单片机只须用一个普通的I/O端口控制TL494使能即可。

另外也可以采用电压比较器替代TL494，如LM393和LM358等。

采用纯硬件PWM具有以下优缺点。

优点：

电流精度高。

充电电流的控制精度只与电流采样电阻的精度有关，与单片机没有关系。

不受软件PWM的调整速度和ADC的精度限制。

充电效率高。

不存在软件PWM的慢启动问题，所以在相同的恒流充电和相同的充电时间内，充到电池中的能量高。

对电池损害小。

由于充电时的电流比较稳定，波动幅度很小，所以对电池的冲击很小，另外TL494还具有限压作用，可以很好地保护电池。

缺点：

硬件的价格比较贵。

TL494的使用在带来以上优点的同时，增加了产品的成本，可以采用LM358或LM393的方式进行克服。

涓流控制简单，并且是脉动的。

电池充电结束后，一般采用涓流充电的方式对电池维护充电，以克服电池的自放电效应带来的容量损耗。

单片机的普通I/O控制端口无法实现PWM端口的功能，即使可以用软件模拟的方法实现简单的PWM功能，但由于单片机工作的实时性要求，其软件模拟的PWM频率也比较低，所以最终采用的还是脉冲充电的方式，例如在10%的时间是充电的，在另外90%时间内不进行充电。

这样对充满电的电池的冲击较小。

（三）单片机PWM控制端口与硬件PWM融合对于单纯硬件PWM的涓流充电的脉动问题，可以采用具有PWM端口的单片机，再结合外部PWM芯片即可解决涓流的脉动性。

在充电过程中可以这样控制充电电流：

采用恒流大电流快速充电时，可以把单片机的PWM输出全部为高电平（PWM控制芯片高电平使能）或低电平（PWM控制芯片低电平使能）；当进行涓流充电时，可以把单片机的PWM控制端口输出PWM信号，然后通过测试电流采样电阻上的压降来调整。

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量指窄脉冲的面积。

效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

图1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2a所示。

其输出电流i（t）对不同窄脉冲时的响应波形如图2b所示。

从波形可以看出，在i（t）的上升段，i（t）的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。

脉冲越窄，各i（t）响应波形的差异也越小。

如果周期性地施加上述脉冲，则响应i（t）也是周期性的。

用傅里叶级数分解后将可看出，各i（t）在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

图2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。

图3用PWM波代替正弦半波要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。

PWM电流波：

电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。

PWM波形可等效的各种波形：

直流斩波电路：

等效直流波形PWM波：

等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原第三章直流伺服系统PWM控制装置3.1直流电机PWM闭环调速系统推出一种使用单片机的PWM直流电机闭环调速系统。

本系统结构简单，价格低廉，在实际应用中效果良好。

采用硬件电路实现直流电机闭环调速系统已在实践中应用多年，其硬件组成复杂，调整困难，缺乏控制的灵活性。

本文介绍的直流电机PWM闭环调速系统，使用低价位的单片微机89C2051为核心，实现闭环控制，并可进行数字显示和速度预置，方便了使用。

电机调速采用脉宽调制方式，与晶闸管调速相比技术先进，可减少对电源的污染。

本系统已用于健身跑步机调速，工作可靠，使用效果良好。

图1是本系统的线路图，主要有PWM信号发生、闭环调速微机控制、直流电机驱动等几部分组成。

（一）PWM信号发生电路PWM波可由具有PWM输出的单片机（如80C198等）通过编程产生，也可采用PWM专用芯片来实现。

PWM波的频率太高时，对直流电机驱动的功率管要求太高，太低时产生电磁噪声较大。

实践应用中PWM波的频率在18kHz左右效果最好。

经综合分析，本系统采用两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。

两片比较器U3、U2的A组接4040计数输出Q2～Q9端，B组接单片微机的P1端口。

改变P1端口的输出值，可使PWM信号的占空比产生变化，进行调速控制。

计数器4040的计数输入端CLK接单片机2051晶振的振荡输出XTAL2。

晶振选用18MHz时，经QO～Q2的8分频，Q2～Q9的256分频，产生的PWM波形的频率为17．6kHz，适合光耦及功率开关管的合理工作范围。

计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2～Q9加1，当计数值小于或等于单片机P1端口输出值X时，U2的（A>B）输出端保持为低电平，当计数值大于X时U2的（A>B）输出端为高电平。

随着计数值的增加，Q2～Q9由全“1”变为全“O”时，（A>B）输出端又变为低电平，这样，在U2的（A>B）端得到PWM的信号，其占空比为（255-X/255）×100％，改变X值可改变PWM信号的占空比，进行直流电机的转速控制。

使用此方法单片机只需根据调整量输出X值，PWM信号由三片通用数字电路生成，使软件大大简化，有利于单片机系统正常工作。

由于单片机上电复位时P1端口输出全“1”，使用4585的B组与P1端口相连，升速时PO端口输出X按一定规律减少，降速时按一定规律增大。

（二）单片微机闭环速度控制电路本系统的闭环控制选用低价位的单片机89C2051，与带PWM输出的80C552及80C198相比，无需外扩EPROM，且价格低的多。

2051单片机片内有2K的flash程序存储器，15个I/O口，两路16位的定时/计数器，指令及中断系统与8031兼容，给闭环速度控制带来很大的灵活性。

闭环速度控制中传感器选用霍尔传感器，小磁钢固定在被测转轴上，每转一周输出一个脉冲信号。

转速脉冲信号经施密特触发器U6-1，U6-2整形后，输入到2051单片机的INTO中断口P3．2端口上。

软件设置INTO为下降沿中断，进入中断服务程序后开启定时/计数器O进行定时，测出每转的周期，再由软件计算出控制值X，由P1端口输出PWM波占空比的控制数。

软件中还可进行显示线速度或角速度的转换计算，由八位驱码驱动器带动LED数码管进行显示。

预置速度由按S1、S2输入，进行“+”“-”控制，预置数也由LED数码管显示。

显示使用了高集成度的MAX7219串行LED显示驱动器，带动八位LED数码管进行显示，前四位显示当前运行速度，后四位显示预置速度。

MAX7219是24脚窄封装芯片，串行口工作频率最高10MHz，八位LED显示，通过对译码模式寄存编程，可控制各位显示方式（BCD码或非译码），显示是片内动态扫描模式，通过一个电阻和编程可控制亮度，并可多个芯片串联显示多达64位共阴极LED数码管。

MAX7219的数据输入端DIN、时钟端CLK、数据锁定端L分别与2051单片机的P3.0、P3.1、P3.5端口相接。

改变电阻R6的阻值可调整显示亮度，R6取值在3.9～10kQ之间。

使用MAX7219不仅可减少硬件电路，由于是片内动态扫描显示，并可降低功耗和简化软件设计。

2051单片微机的上电复位使用了MAX812电压监控器，上电时约有200ms的延迟，以保证复位正常进行。

为了防止掉电后预置数丢失，使用了使用备用电池保护2051单片机片内RAM数值。

电源经变压整流后，一路经DC-AC开关电源输出5V直流电压给单片机系统供电，一路经三端稳压元件7812稳压输出12V电压供驱动大功率开关管使用。

单片机系统电源与驱动电路部分电源隔离，以提高系统工作的可靠性和安全性。

（三）直流电机驱动系统电路U2生成的PWM信号经施密特反相器U6-3驱动光电耦合器O1，送至直流电机驱动电路。

大功率开关管选用N沟道VMOS功率场效应管，它为压控元件，具有很高的输入阻抗，因而驱动功率很小，对驱动电路要求也较低。

经光电耦合器传送的PWM信号，经并联使用的六施密特反相器，接到VMOS功率管Y1的栅极上，直接驱动即可。

稳压管D4和电阻R8起保护作用。

VMOS功率管的源极接直流电机绕组，经感抗器接电机直流电源负端。

漏极接电机直流电源正端。

快速关断二极管D3起保护作用，消除VMOS功率管开关过程由电机绕组产生的感生电势。

电源是交流电压经C7、ZL、C8组成的滤波器后，由高压桥整流器件Z2整流，高压电解电容滤波后供VMOS功率管。

VMOS功率管，快速关断二极管及高压电解电容器及整流桥等根据选用直流电机的电压、功率等要求确定相应型号和参数。

3.2PWM调速装置PWM驱动装置与一般晶闸管驱动装置像比较具有下列特点1）需用的大功率可控器件少，线路简单。

例如，在不可逆无制动PWM驱动装置中仅用一个大功率晶体管，而在晶闸管驱动装置中至少要用三个晶闸管（指三相），在可逆桥式（H）型PWM驱动装置中仅用四个大功率晶体管，而晶闸管驱动装置哦中则至少要用六个，从而简化了系统的功率转换电路极其驱动电路，使得晶体管PWM驱动装置的线路较晶闸管驱动装置的简单。

2）调速范围宽。

PWM驱动装置与宽调速直流伺服电动机配合，可获得6000～10000r/min的调速范围，而一般晶闸管驱动装置的调速范围仅能达到100～150r/min如果采取低速自适应控制或锁相环控制等措施，也能达到6000～10000r/min,但其线路要比PWM系统复杂的多。

3）快速性好。

在快速性上，PWM系统也优化晶闸管系统。

主要是调制频率高（1-10kHz），失控时间小，可减小系统的时间常数，是系统的频带加宽，动态速降小，恢复时间短，动态硬度好。

PWM驱动装置的电压增益不随输出电压变化而变化，故系统的线性度好。

4）电流波形系数好，附加损耗小。

由于PWM调制频率高，不需平波电抗器就能获得脉动很小的直流电流，波形系数约等于1。

因而电枢电流脉动分量对电动机转速的影响以及由它引起的附加损耗都小。

5）功率因数高，对用户使用有利。

PWM驱动装置是把交流电经全波整流成一个固定的直流电压，在对它进行脉宽调制，因而交流电源测的功率因数高，系统工作在电网