简单实用的汽车整车电控系统调试用PWM信号发生器

刘 源，张冲子，葛渝清

（北汽银翔汽车有限公司研发一中心电器开发所，重庆 401533）

近年来，随着电子技术和微控制器在汽车上的广泛应用，整车上的电动执行机构及电控系统普遍采用了脉冲宽度调制技术（Pulse Width Modulation，简称PWM技术）来进行各种电机及电器的无级调速和调功等控制，从而实现风速、流量、亮度、扭矩、功率等参数的精确调节和控制。该技术具有控制灵活、执行可靠、实现容易、成本低廉等特点，但该技术给整车电器及电控系统的匹配和调试带来了新的挑战，特别是在杂合车或样车试制阶段，给调试工作增加了不小的难度。为此，我们设计制作了“简单实用的汽车整车电控系统调试用PWM信号发生器”（以下简称PWM信号发生器），较好地解决了这一难题。下文简单介绍其工作原理、结构及应用。

1 PWM信号发生器的原理及结构

1.1 特点简介

本信号发生器以555定时器集成电路为核心电路构成，具有结构简单、使用方便、体积小巧、制作容易、成本低廉等优点。

1.2 555定时器简介

555定时器集成电路是一种用途极其广泛的由模拟电路和数字电路混合构成的通用集成电路，它由美国signetics公司于1972年推出。由于它的分压电路采用了3个5kΩ的电阻，且其常用来制作定时器电路，所以简称555定时器。利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器、双稳态触发器、多谐振荡器、压控振荡器、各种报警器甚至D类功放等丰富多彩的应用电路。

555定时器的电路原理框图见图1，它主要由分压器（R1～R3，3个5 kΩ的电阻）、2个比较器（CA1、CA2）、1个RS触发器（RSF）、放电开关管（VT）及输出缓冲器（G）等5部分组成。555定时器的功能表见表1。

图1 555定时器电路原理框图

表1 555定时器功能表

555芯片引脚排列（双列直插封装）如图2所示，引脚定义如下。

图2 555定时器电路引脚排列图

1脚（GND）：搭铁。

2脚（TL）：触发输入端。当2脚电压小于1Vcc/3时，CA2的输出为1，RSF置位。3脚输出高电平。

3脚（Q）：输出端。为高电位时，接近电源电压+Vcc，输出电流最大可达200 mA。

4脚（RD）：复位端。当4脚电位小于0.4V时，不管2脚、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。

5脚（CV）：控制端。在压控振荡器中常作电压控制输入端。

6脚（TH）：阈值输入端。当6脚电压大于2Vcc/3时，CA1的输出为1，RSF复位。3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1Vcc/3时才有效（注：也即不能同时出现2脚小于1Vcc/3，而6脚又大于2 Vcc/3的情况，此时RS触发器的状态将无法确定）。

7脚（FD）：放电端。与3脚输出同步，输出电平一致。8脚（+Vcc）：电源正端。

1.3 PWM信号发生器的原理及结构简介

本PWM信号发生器的电路原理图见图3。它以555定时器为核心构成多谐振荡器，其工作过程如下：当接通电源时，Vcc通过R1、D2和W1的右半部分向C1（或C2）充电，在IC的2、6脚达到2Vcc/3前，IC的3脚输出高电平，高电平的维持时间取决于R1、W1右和C1（或C2）的值，即th≈0.693×（R1+W1右） ×C。当IC的2、6脚达到2Vcc/3时，IC的状态翻转，IC的3脚输出低电平，同时，IC的7脚也为低电平，此时，C1（或C2）通过D1、R2、W1左放电，而低电平的维持时间取决于R2、W1左和C1（或C2）的值。即tl≈0.693×（R2+W1左）×C。当IC的2、6脚由于C1（或C2）的放电低于1Vcc/3时，IC的状态将再次翻转，3脚重新变成高电平，进入下一个循环。周而复始，形成振荡。振荡周期t=th+tl≈0.693×（R1+W1右）×C+0.693×（R2+W1左）×C，则振荡频率f =1/ t。而占空比D=［th/（th+ tl）］ ×100%。由此可见，通过改变C1或C2可以改变振荡频率，而通过调节W1就可以改变占空比。其振荡波形见图4。

图3 PWM信号发生器电路原理图

图4 PWM信号发生器波形图

在图3中D1和D2的作用是将充电回路和放电回路隔离，以便调节占空比。开关K用于选择C1或C2连接到电路中，用于调节振荡频率。R3、W2和R4组成分压电路，用于调节输出电压的高低。

1.4 PWM信号发生器的振荡频率及占空比计算

1）当C1=0.01μF时

根据1.3的相关计算公式，有：

f =1.443/［（20+47）×103×0.01×10-6］=2.1537×103=2.1537 kHz；t=1/ f=1/2153.7=0.0004643 s；Dmin=（thmin/t）×100%=（0.693×10×103×0.01×10-6/0.0004643）×100%≈15%；Dmax=（thmax/t）×100%=（0.693×57×103×0.01×10-6/0.0004643） ×100%≈85%。

2）当C2=0.1μF时

根据1.3的相关计算公式，有：

f=1.4 4 3/［（2 0+4 7）×1 03×0.1×1 0-6］=2.1537×102=215.37 Hz；t = 1/f=1/215.37=0.004643 s；Dmin=（thmin/t）×100%=（0.693×10×103×0.1×10-6/0.004643）×100%≈15%；Dmax=（thmax/ t）×100%=（0.693×57×103×0.1×10-6/0.004643）×100%≈85%。

2 PWM信号发生器的制作

整个电路的元器件成本约在1 5元左右，由于电路十分简单，为节约成本，PCB板采用通用PCB板，外壳也采用大小合适的通用仪表盒或利用报废的BCM总成（或其它合适的电器总成）的外壳改制而成。按电路原理图将所有元件正确焊接和连接后，一般不需调试，通电后既能正常工作。制作完成的信号发生器见图5。实际的PWM输出波形见图6，波形1为NE555第2、6脚的波形，波形2为第3脚的波形。

图5 PWM信号发生器实物照片

图6 PWM信号发生器占空比的实测波形图

3 PWM信号发生器的主要性能指标

PWM信号发生器的主要性能指标见表2。

表2 PWM信号发生器的主要性能指标

4 PWM信号发生器的应用

本PWM信号发生器的应用十分广泛又极其简单，整车上凡是用到PWM控制技术的地方，均可用它来进行调试。其使用方法是：将发生器的电源正极和搭铁分别连接到整车的电源正极和搭铁上，将信号发生器的PWM信号输出端连接到需要调试的整车电器总成件的PWM输入端上，并给其正常供电；然后将开关K和电位器W2调节到合适位置，并调节W1，同时检查和观察被试件的工作情况是否正常即可。

该信号发生器已被成功地运用到我公司多个项目的产品开发中，发挥了极其重要的作用。