伺服电机驱动控制器.doc

目录一、 伺服驱动概述…………………………………………………………1二、 本产品特性……………………………………………………………2三、 电路原理图及PCB版图………………………………………………4四、 电路功能模块分析……………………………………………………4五、 焊接（附元件清单）…………………………………………………14六、 编者设计体会…………………………………………………………1612一． 伺服驱动概述1. 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.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. 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. 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. 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.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 24V 直流电压，为 H 桥供电，提供大电流驱动直流电机（MC33030 驱动能力较弱） ，经稳压后为芯片供电，并输出 5v 直流电压，经档位控制分压后，作为基准，输入到 MC33030 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 MC33030，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--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PCB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--汽车油门控--直流电机驱动 三、电路原理图5PCB：6四、电路功能模块分析（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1、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、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、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、H 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 所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本 H 桥电路的基础上增加了 4 个与门和 2 个非门4 个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关而 2 个非门通过提供一种方向输人，可以12保证任何时候在 H 桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通 （与本节前面的示意图一样，图 4 所示也不是一个完整的电路图，特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。

）图 4 具有使能控制和方向逻辑的 H 桥电路采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号如果 DIR－L 信号为 0，DIR－R 信号为 1，并且使能信号是 1，那么三极管 Q1 和 Q4 导通，电流从左至右流经电机（如图 5 所示） ；如果 DIR－L信号变为 1，而 DIR－R 信号变为 0，那么 Q2 和 Q3 将导通，电流则反向流过电机图 5 使能信号与方向信号的使用这是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。