伺服电机驱动控制器.doc

0目录目录一、一、伺服驱动概述伺服驱动概述…………………………………………………………1…………………………………………………………1二、二、本产品特性本产品特性……………………………………………………………2……………………………………………………………2三、三、电路原理图及电路原理图及PCBPCB版图版图………………………………………………4………………………………………………4四、四、电路功能模块分析电路功能模块分析……………………………………………………4……………………………………………………4五、五、焊接（附元件清单）焊接（附元件清单）…………………………………………………14…………………………………………………14六、六、编者设计体会编者设计体会…………………………………………………………16…………………………………………………………1612一．一． 伺服驱动概述伺服驱动概述1.1. 伺服电机的概念伺服电机的概念 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。

2.2.伺服电机分类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3.3. 控制系统对伺服电动机的基本要求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 4.4. 直流伺服电机的基本特性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 5.5. 直流伺服电机的驱动原理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36.6.步进电机：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 24V24V 直流电压，为 H H 桥供电， 提供大电流驱动直流电机（MC33030MC33030 驱动能力较弱） ，经稳压后为芯片供电，并 输出 5v5v 直流电压，经档位控制分压后，作为基准，输入到 MC33030MC33030 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 MC33030MC33030，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 ④ MC33030伺服模块：MC33030是单片的直流伺服电机控制器 ⑤ Ｈ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4--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PCBPCB板特性板特性--双面线路板 --工艺：FR-4喷锡板 --厚度：1.6mm --阻焊：绿色应用应用--汽车油门控 --直流电机驱动 三、电路原理图三、电路原理图5PCBPCB：：6四、电路功能模块分析四、电路功能模块分析（一）系统框图（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：78（二）各模块详细分析（二）各模块详细分析1 1、电源电路：、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 2、微调电路、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9“-”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 3、平衡电路、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10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 4、、H H 桥电路桥电路图 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 H4 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 1 H 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，11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 2 H 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 3 H 桥驱动电机逆时针转动 使能控制和方向逻辑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。