一种基于PWM技术的直流伺服控制系统设计

孙启顺 李久超

摘 要：直流伺服系统在高精度控制场合应用广泛，而PWM控制技术是直流伺服系统中普遍采用的控制方式。本文针对交磁电机扩大机—直流电动机驱动方式，设计了一种简单而又高精度控制电路，并从信号传递角度分析了系统控制原理。

关键词：直流伺服控制系统 PWM控制技术 电路设计

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（a）-0022-02

直流伺服控制系统在高精度、宽调速范围、精准位置控制等场合具有广泛应用，特别是在装甲车辆火炮驱动控制中，普遍采用直流伺服控制模式。随着电子技术特别是大规模集成电路和大功率晶体管的发展，PWM控制成为现代伺服驱动系统的方向，受到越来越多的重视。PWM控制与一般晶闸管驱動装置相比具有如下优点：需要的大功率器件少，线路简单；调速范围宽；快速性好；低速稳定性好；电流波形系数好，附加损耗小等，因此具有很好的应用前景。

本文针对交磁电机扩大机——直流电动机驱动方式，设计了一种基于PWM技术的控制系统，通过主控信号改变电机扩大机的激磁来改变电机扩大机的输出电压，从而达到控制直流电动机旋转方向和转速的目的。

1 电路设计

控制电路如图1所示。主要由控制信号处理电路、三角波发生器电路、比较器电路、开关电路等组成。

1.1 控制信号处理电路

控制信号处理电路由芯片N1～N4、电阻R1～R14、电位器RP1和RP2组成，其作用是将控制信号进行处理并分为两路信号，以实现电动机旋转方向的控制。

1.2 三角波发生器电路

三角波发生器电路由芯片N5和N6、电阻R15～R19和电容C1组成，其作用是产生一个固定频率的三角波信号。

1.3 比较器电路

比较器电路由芯片N7、电阻R20～R23、电位器RP3组成，其作用是将处理后的控制信号与三角波信号进行比较，输出脉宽可调的脉冲电压。

1.4 开关电路

开关电路由三极管V3～V6、二极管V1、V2、V7、V8、电阻R24～R27组成，其作用是在比较器输出的脉冲电压控制下，通过三极管交替通断为电机扩大机提供激磁电流。

2 信号分析

控制信号U0由主控指令和各种反馈信号综合后输入到运放N1的输入端。

2.1 当控制信号为零时

没有控制信号时，运放N1输出为零，运放N2反相端加负电压，经N2处理后，将正电压输出给比较器N7A的反相端；运放N3的反相端加正电压，经N3、N4处理后，将正电压输出给比较器N7B的反相端。经与三角波比较后，比较器N7A和N7B输出两路相位相同、占空比相等的方波脉冲信号，一个周期内V3、V4与V5、V6导通时间相等，因此电机扩大机总激磁磁通为零，电机扩大机不发电。

2.2 当控制信号为负时

控制信号为负时，运放N1有正电压输出，运放N2输出电压降低，此时比较器N7A输出的脉冲电压占空比增大。显然控制信号越大，N7A输出的脉冲电压占空比越大。运放N1有正电压输出时，经运放N3、N4处理，比较器N7B输出的脉冲电压占空比减小。显然控制信号越大，N7B输出的脉冲电压占空比越小，如图2所示。这样，一个周期内V3、V4导通时间大于V5、V6导通时间，因此电机扩大机总激磁磁通不为零（总磁通与JC1产生的磁通方向一致），电机扩大机发电。控制信号越大，V3、V4与V5、V6导通时间差越大，电机扩大机发出的电压越高。

2.3 当控制信号为正时

控制信号为正时，运放N1有负电压输出，运放N2输出电压升高，此时比较器N7A输出的脉冲电压占空比减小。显然控制信号越大，N7A输出的脉冲电压占空比越小。运放N1有负电压输出时，经运放N3、N4处理，比较器N7B输出的脉冲电压占空比增大。显然控制信号越大，N7B输出的脉冲电压占空比越大。一个周期内V5、V6导通时间大于V3、V4导通时间，因此电机扩大机总激磁磁通不为零（总磁通与JC2产生的磁通方向一致），电机扩大机发出电压极性相反。控制信号越大，电机扩大机发出的反向电压越高。

3 主要参数选择

R1为100k，R2、R4、R9、R12、R14、R20～R23为15k ，R3为130k，R5、R6、R8、R11为36k，R7为9.1k，R10为91k，R15、R16为56k，R17为27k，R18为16k，R19为75k，R24、R25为10k，R26、R27为1k/0.5W；RP1～RP3为20k。

V3、V6为3DG1821，V4、V5为3DK5，V1、V2为2CK75D，V7、V8为IN4004。

参考文献

[1] 藏克茂.现代坦克炮控系统[M].国防工业出版社，2007.

[2] 朴慧京.火控系统构造原理[M].国防工业出版社，2013.