測(cè)控技術(shù)與儀器畢業(yè)論文范文——鎖相環(huán)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

1、鎖相環(huán)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)摘要伺服電機(jī)被廣泛應(yīng)用工于工業(yè)生產(chǎn)和自動(dòng)化控制領(lǐng)域中，在需要直流電機(jī)高精度穩(wěn)速運(yùn)行 的場(chǎng)合屮，越來(lái)越多的用到了鎖相伺服系統(tǒng)，它能夠使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)到很高的精度本文敘述了鎖相環(huán)的基本原理和直流伺服電動(dòng)機(jī)的pwm控制的基本原理及h橋 電路的幾種工作方式，并利用集成鎖相環(huán)芯片ne564作為鑒相器，對(duì)所設(shè)定的轉(zhuǎn)速 和電機(jī)所設(shè)定的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，根據(jù)兩信號(hào)相位差所得的電壓信號(hào)，改變pwm 調(diào)制電路中的電壓比較器的門(mén)限電壓，來(lái)改變矩形脈沖的寬度，從而調(diào)整電動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)速。關(guān)鍵詞：直流伺服電機(jī)，鎖相環(huán)，pwm控制，鎖相伺服系統(tǒng)the designing of driving f

2、or phase-locked loop servo motorabstractthe servo motor is used in the industrial production and automated control domain, in the situation that need direct current machine run in high accuracy , the phase-lock servo system are used more and more, it could make the electric motor rotate to very high

3、 precision.this article describe the phase-locked loop's basic principle and the basic principle of pwm control for dc servo motor and the several working mode of h bridge electric circuit, and took the phase-discriminator using integrated phase-locked loop chip ne564, to compare the actual spee

4、d with set speed, according to phase difference in two signal obtained voltage signal, changed threshold voltage of the pwm modulated circuit, changed rectangular pulse、s width, thus rotational speed. of the motor can be controlled.key word： direct-current servomotor> phase-locked loop, pwm contr

5、ollock-servo system1引言1. 1設(shè)計(jì)目的和意義1.1.1鎖相技術(shù)鎖相技術(shù)是實(shí)現(xiàn)相位自動(dòng)控制的一門(mén)科學(xué)，是專門(mén)研究系統(tǒng)相位關(guān)系的新技 術(shù)從30年代發(fā)展開(kāi)始，至今己逐步滲透到各個(gè)領(lǐng)域，早期是為了解決接收機(jī)的同 步接收問(wèn)題，后來(lái)應(yīng)用在了電視機(jī)的掃描電路中，特別是空間技術(shù)的出現(xiàn)極大推動(dòng) 了鎖相技術(shù)的發(fā)展。近來(lái)，鎖相技術(shù)的應(yīng)用范圍己大大拓寬了，從通信、導(dǎo)航、雷 達(dá)、計(jì)算機(jī)自至家用電器。與此同時(shí)相電路的結(jié)構(gòu)也從基本的兩階發(fā)展到了三階或 更高階，從單環(huán)發(fā)展到了復(fù)合環(huán)，其中鑒頻鑒器輔之以電荷泵所構(gòu)成的鎖相環(huán)路因 其具有易于集成、鎖定速度快、鎖定范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，成為如今廣泛應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)。普通

6、鎖和環(huán)路中，同步性能與捕獲性能對(duì)環(huán)路設(shè)計(jì)的要求是矛盾的，需采用一 些輔助方法來(lái)改善其捕獲性能。常用的辦法有采用非線性環(huán)路濾波器、在壓控振蕩 器上加掃描電壓或注入信號(hào)以及結(jié)合鑒頻環(huán)路使用i o在數(shù)字通信系統(tǒng)中只有保持發(fā)、收兩端的數(shù)字信號(hào)序列在時(shí)間上準(zhǔn)確可靠地 同步，才能使接收端對(duì)解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)作出準(zhǔn)確的判決，以較低的誤碼率將數(shù)字 信息恢復(fù)出來(lái)這就要求接收終端有一個(gè)性能優(yōu)良的鎖相環(huán)路來(lái)跟蹤發(fā)射端發(fā)送的 數(shù)字信號(hào)，并肓接通過(guò)對(duì)被發(fā)送的碼元的非線性變換來(lái)提取出時(shí)鐘同步信號(hào)。捕 捉帶寬和同步帶寬是鎖相環(huán)路的重要性能指標(biāo),通過(guò)增加環(huán)路的直流總增益，例如 在濾波器環(huán)節(jié)中，加大直流放大倍數(shù)，可以擴(kuò)大捕捉和同

7、步帶寬，但直流放大器放大 倍數(shù)過(guò)大，將容易引起漂移和壓控振蕩器(vco)的飽和阻塞而使環(huán)路工作不穩(wěn)定，并 且還會(huì)降低環(huán)路的噪聲性能。鎖相伺服控制，可以把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速鎖定在振蕩器產(chǎn)牛的給定頻率上，使電動(dòng)機(jī) 無(wú)轉(zhuǎn)速誤差，只存在相位誤差，比較容易實(shí)現(xiàn)二階無(wú)靜差系統(tǒng)，這樣就克服了傳統(tǒng) 模擬控制的原理性缺陷，并利用了在環(huán)路鎖定條件下鎖相環(huán)路的窄帶濾波特性，在 很大程度上抑制了由系統(tǒng)參數(shù)變化而產(chǎn)生的影響，使鎖相伺服系統(tǒng)在理論上比模擬 控制系統(tǒng)人人提高了控制精度。1. 1.2直流伺服電機(jī)電動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的機(jī)械。直流伺服電機(jī)是一種傳統(tǒng)的電機(jī)， 它是自動(dòng)裝置的執(zhí)行元件。具有良好的啟動(dòng)性和調(diào)速性，被廣泛

8、應(yīng)用于電力機(jī)車(chē)、 機(jī)床、起重設(shè)備和工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的控制屮。直流伺服系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手行業(yè)中.由于抓物體慣量變化引 起參數(shù)變化，從而影響伺服電機(jī)的動(dòng)態(tài)使用齒輪傳動(dòng)可抵消動(dòng)態(tài)變化和其它非線 性影響，然而即便高精度齒輪傳動(dòng)，也會(huì)受到摩攘、偏移及齒輪間隙的影響。 直流伺服電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品與系統(tǒng)中不可缺少的控制機(jī)構(gòu)，最普遍的應(yīng)用如伺 服系統(tǒng)。直流伺服電機(jī)多使用永磁式直流機(jī)。這是因?yàn)樗哂畜w小量輕、控制特性 和響應(yīng)特性好，而口耐過(guò)載能力強(qiáng)，性能價(jià)格比優(yōu)異?，F(xiàn)在，這類(lèi)永磁電機(jī)采用鐵氧 體或鋁鐵鐮鉆材料為主，也有因特殊要求采用稀土類(lèi)鐵磁材料的。數(shù)控機(jī)床對(duì)其進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置越來(lái)越全面而苛刻的要求，

9、使伺服系統(tǒng)的研究成為 一個(gè)十分活躍的領(lǐng)域.目前國(guó)內(nèi)采用的伺服系統(tǒng)中，可控硅供電加位置環(huán)的結(jié)構(gòu)仍 占統(tǒng)2臺(tái)地使。七十年代以來(lái)，各種數(shù)字裝置和微型計(jì)算機(jī)獲得了飛速的發(fā)展，在 電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中也相應(yīng)地發(fā)展了一種數(shù)字位置隨動(dòng)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在小功率下是采 用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置,隨著控制功率的增大和大功率步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 的限制，驅(qū)動(dòng)裝置不得不采用直流電機(jī)。本課題所做的伺服電機(jī)的鎖相環(huán)速度控制器，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性和轉(zhuǎn)矩特 性的制約，若在大的速比范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度的速度控制，是十分困難的。若采用傳 統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)是很難滿足的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的模擬控制存在一系列的原理性缺陷， 即使在d=20db范圍內(nèi)，想要

10、得到0.1%的控制精度也是極難的。因此，若在大的速 比范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度的速度控制，必須開(kāi)發(fā)新的領(lǐng)域。1. 2發(fā)展現(xiàn)狀及前景鎖相環(huán)的研究一直是學(xué)術(shù)界的一個(gè)研究重點(diǎn)，由于條件所限，國(guó)內(nèi)對(duì)于鎖相 環(huán)的研究主要停留在理論方面，高性能鎖相環(huán)的產(chǎn)品基木依賴進(jìn)口。鎖相環(huán)路 (phase-locked loop)早在30年代就應(yīng)于無(wú)線電接收技術(shù)上，但首次廣泛釆用的是 電視接收機(jī)。由于它具有優(yōu)良的抗噪音性能，所以被用來(lái)跟蹤衛(wèi)星信號(hào)。目前該技 術(shù)已在現(xiàn)代電子技術(shù)、通訊和空間技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。把鎖相技術(shù)引入電氣領(lǐng)域，用來(lái)準(zhǔn)確地控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，犬約在60年代末和70 年代初。首先是moore提出用鎖相環(huán)原理來(lái)

11、控制小功率的肓流電動(dòng)機(jī)，使轉(zhuǎn)速控制 精度達(dá)到0. 002%比之一般系統(tǒng)的0.廣1%精度要提高100倍以上，從而引起了人們的 注意。已發(fā)展為電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)新興領(lǐng)域。有些鎖相環(huán)路的被鎖信號(hào)時(shí)常出現(xiàn)屮斷，例如由電機(jī)拖動(dòng)的邊克爾遜干涉儀的 輸出信號(hào)，當(dāng)電機(jī)換向吋，干涉信號(hào)的頻率由某個(gè)定值突然減至零，再冋升至原頻率, 這就必然引起鎖相環(huán)路失鎖。如果干涉儀動(dòng)鏡可移動(dòng)的距離較短，即信號(hào)中斷現(xiàn)象 很頻繁，那么自動(dòng)快捕就成為測(cè)量中的一個(gè)十分重要的問(wèn)題了。一般說(shuō)來(lái)，輸入脈沖 信號(hào)的鎖相環(huán)路，幾乎都采用鋸齒形鑒相器，記憶鋸齒頂點(diǎn)的電壓，做為鑒相器的輸 出。由于鎖相技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是集成鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)，其應(yīng)

12、用在頻率合成技術(shù) 和頻率跟蹤領(lǐng)域中迅速擴(kuò)大，鎖相技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)轉(zhuǎn)速控制中，形成了鎖相伺服系 統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的發(fā)展緊密地與伺服電動(dòng)機(jī)的不同發(fā)展階段相聯(lián)系，伺服電動(dòng)機(jī)至今 已有五十多年的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了三個(gè)主要發(fā)展階段：第一個(gè)發(fā)展階段(20世紀(jì)60年代以前)，此階段是以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓伺 服馬達(dá)或以功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)為中心的時(shí)代，伺服系統(tǒng)的位置控制為開(kāi)環(huán)系 統(tǒng)。第二個(gè)發(fā)展階段（20世紀(jì)60-70年代），這一階段是直流伺服電動(dòng)機(jī)的誕生和 全盛發(fā)展的時(shí)代，由于直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，很多高性能驅(qū)動(dòng)裝置釆用 了直流電動(dòng)機(jī)，伺服系統(tǒng)的位置控制也由開(kāi)環(huán)系統(tǒng)發(fā)展成為閉環(huán)系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床 的應(yīng)用領(lǐng)域

13、，永磁式直流電動(dòng)機(jī)占統(tǒng)治地位，其控制電路簡(jiǎn)單，無(wú)勵(lì)磁損耗，低速 性能好。第三個(gè)發(fā)展階段（20世紀(jì)80年代至今），這一階段是以機(jī)電一體化時(shí)代作為背 景的，由于伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其永磁材料、控制技術(shù)的突破性進(jìn)展，出現(xiàn)了無(wú)刷直 流伺服電動(dòng)機(jī)（方波驅(qū)動(dòng)），交流伺服電動(dòng)機(jī)（正弦波驅(qū)動(dòng)）等種種新型電動(dòng)機(jī)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，因?yàn)槲㈦娮蛹夹g(shù)的快速發(fā)展，電路的集成度越來(lái)越高, 對(duì)伺服系統(tǒng)產(chǎn)生了很重要的影響，交流伺服系統(tǒng)的控制方式迅速向微機(jī)控制方向發(fā) 展，并由硬件伺服轉(zhuǎn)向軟件伺服，智能化的軟件伺服將成為伺服控制的一個(gè)發(fā)展趨 勢(shì)。pwh直流伺服系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能正在逐漸取代晶閘管伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)中 常用的控制

14、算法pid控制，這種算法穩(wěn)定性好，可靠性高、易調(diào)整何。伺服系統(tǒng)控制器的實(shí)現(xiàn)方式在數(shù)字控制中也在由硬件方式向著軟件方式發(fā) 展；在軟件方式中也是從伺服系統(tǒng)的外環(huán)向內(nèi)環(huán)、進(jìn)而向接近電動(dòng)機(jī)環(huán)路的更深層 發(fā)展。目前，伺服系統(tǒng)的數(shù)字控制大都是采用硬件與軟件相結(jié)合的控制方式，其中 軟件控制方式一般是利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)的。這是因?yàn)榛谖C(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字伺服控制器與 模擬伺服控制器相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）能明顯地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微處理機(jī) 不斷涌現(xiàn)，硬件費(fèi)用會(huì)變得很便宜。體積小、重量輕、耗能少是它們的共同優(yōu)點(diǎn)。（2）可顯著改善控制的可靠性。集成電路和人規(guī)模集成電路的平均無(wú)故障吋 （mtbf）

15、大大長(zhǎng)于分立元件電子電路。（3）數(shù)字電路溫度漂移小，也不存在參數(shù)的影響，穩(wěn)定性好。（4）碩件電路易標(biāo)準(zhǔn)化。在電路集成過(guò)程中采用了一些屏蔽措施，可以避免 電力電子電路中過(guò)大的憐態(tài)電流、電壓引起的電磁干擾問(wèn)題，因此可靠性比較高。（5）采用微處理機(jī)的數(shù)字控制，使信息的雙向傳遞能力大大增強(qiáng)，容易和上 位系統(tǒng)機(jī)聯(lián)運(yùn)，可隨時(shí)改變控制參數(shù)。（6）可以設(shè)計(jì)適合于眾多電力電子系統(tǒng)的統(tǒng)一碩件電路，其中軟件可以模塊 化設(shè)計(jì)，拼裝構(gòu)成適用于各種應(yīng)用對(duì)象的控制算法；以滿足不同的用途。軟件模塊 可以方便地增加、更改、刪減，或者當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)變化時(shí)徹底更新。（7）提高了信息存貯、監(jiān)控、診斷以及分級(jí)控制的能力，使伺服系統(tǒng)更趨于

16、智能化。（8）隨著微機(jī)芯片運(yùn)算速度和存貯器容量的不斷提高，性能優(yōu)異但算法復(fù)雜 的控制策略有了實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)近10年來(lái)，永磁同步動(dòng)機(jī)性能快速提高，與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和普通同步電動(dòng)機(jī)相比, 其控制簡(jiǎn)單、良好的低速運(yùn)行性能及較高的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)使得永磁無(wú)刷同步電動(dòng)機(jī) 逐漸成為交流伺服系統(tǒng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的主流。尤其是在高精度、高性能要求的中小功 率伺服領(lǐng)域。而交流異步伺服系統(tǒng)仍主要集中在性能要求不高的、大功率伺服領(lǐng)域。在交流伺服系統(tǒng)屮，直接得到交流信號(hào)的二相感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)得到了廣泛應(yīng)用 （以后簡(jiǎn)稱發(fā)電機(jī)）。但是，這種用途的發(fā)電機(jī)的特性，迫切需要改進(jìn)的有以下三個(gè)問(wèn) 題：（1）速度-輸出電壓特性的非線性誤差，（2）速度-

17、輸出相位特性的相位移，（3）通過(guò)改進(jìn)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)改善相位。隨著現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)等支撐技術(shù)的 快速發(fā)展，伺服控制技術(shù)的發(fā)展得以極大的邁進(jìn)，使得先進(jìn)困擾著伺服系統(tǒng)的電機(jī) 控制復(fù)雜、調(diào)速性能差等問(wèn)題取得了突破性的進(jìn)展，伺服系統(tǒng)的性能日益提高，價(jià) 格趨于合理，使得伺服系統(tǒng)在高精度、高性能要求的伺服控制領(lǐng)域成了現(xiàn)代電伺服 控制系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)網(wǎng)。1. 3設(shè)計(jì)要求木設(shè)計(jì)主要任務(wù)了解伺服電機(jī)和鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)和工作原理，利用鎖相環(huán)ne564 設(shè)計(jì)一個(gè)直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，要求輸出功率為10w,可使伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速在50 轉(zhuǎn)/分1000轉(zhuǎn)/分之間可調(diào)，工作穩(wěn)定可靠。設(shè)計(jì)出電路

18、的原理圖、印刷電路圖、 部分電路要通過(guò)multisim軟件仿真。2驅(qū)動(dòng)器總體方案設(shè)計(jì)2. 1電路總體方案的設(shè)計(jì)在此次設(shè)計(jì)中，相位比較電路采用集成鎖相環(huán)芯片ne564構(gòu)成，其內(nèi)部包含鎖 相環(huán)的各個(gè)基本功能單元。該驅(qū)動(dòng)器的速度控制信號(hào)由一個(gè)方波發(fā)生器給岀，該方波發(fā)生器的頻率可調(diào)， 輸出的方波與電動(dòng)機(jī)所帶動(dòng)的碼盤(pán)輸出的方波進(jìn)行比較，輸出為一個(gè)隨著兩信號(hào)相 位差變化而變化電壓信號(hào)，送入比較器的一個(gè)輸入端，改變比較器原來(lái)的閾值電壓, 使比較器輸出的矩形波脈沖的寬度發(fā)牛變化，從而使加在電動(dòng)機(jī)兩端的平均電壓發(fā) 生變化，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速改變，然后通過(guò)碼盤(pán)，反饋給鎖和環(huán)的和位比較器，使電動(dòng)圖2. 1驅(qū)動(dòng)器原理框圖相

19、位比較器又稱鑒頻鑒相器。編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)角頻率32與電機(jī)轉(zhuǎn)速成 正比，作為反饋頻率與輸入?yún)⒖冀穷l率5同吋送鑒頻鑒相器進(jìn)行鑒頻鑒相，當(dāng)鎖 相環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可穩(wěn)定在設(shè)定值上，無(wú)跟蹤頻率誤差；濾波器 乂稱濾波校正電路，它是由運(yùn)放組成的有源比例積分電路；伺服放大器是由運(yùn)放及 功率管組成的功率放大器，以輸出足夠的功率推動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。2. 2伺服電機(jī)原理與pwm控制2. 2. 1伺服電機(jī)的原理伺服電機(jī)是一種傳統(tǒng)的電機(jī)，它是自動(dòng)控制裝置中的執(zhí)行元件。伺服電機(jī)的 最大的特點(diǎn)就是可控。在有控制信號(hào)時(shí)，伺服電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)速大小止比于控制 電壓的大小。去掉控制電壓后，伺服電機(jī)就立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服

20、電機(jī)的應(yīng)用甚廣， 幾乎所有的控制系統(tǒng)都需要用到。伺服電機(jī)屬于一類(lèi)控制電機(jī)，可分為直流伺服電 機(jī)和交流伺服電機(jī)。直流伺服電機(jī)具有使用簡(jiǎn)單、控制性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在機(jī)電一體化技術(shù)中,直流伺服電機(jī)作為基本執(zhí)行裝置獲得了最為廣泛的應(yīng)用o圖2. 2直流電動(dòng)機(jī)原理圖肓流伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電樞控制的線路如圖2. 2所示，勵(lì)磁繞組接到電壓恒定為 u的直流電源上，產(chǎn)生勵(lì)磁電流i,從而產(chǎn)生勵(lì)磁磁通e。，電樞繞組接控制電壓 ut,那么直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞的電壓平衡方程式為：uc=ea+iara(2.1)若不計(jì)電樞反應(yīng)的影響，電機(jī)的每極氣隙磁通e將保持不變，貝ij：ea = cen(/)(2. 2)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式為：t =

21、 c神iq(2. 3)由上面三式可得到電樞控制的直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性方程式：n = -f7t = t(2.4)cec神改變控制電壓uc，而機(jī)械特性的斜率b不變，所以其機(jī)械特性是一組平行的 直線，理想空載轉(zhuǎn)速：(2. 5)從公式上可以看出，才控制電壓uc，即可以改變它的轉(zhuǎn)速。2. 2. 2 pwm 概述pwm控制是脈沖控制方式的一種。晶體三極管作為一個(gè)開(kāi)關(guān)，使加到電機(jī)上 的電壓的開(kāi)與關(guān)的時(shí)間比（即占空比）發(fā)生變化，從而控制電機(jī)電壓的平均值。由 于三極管工作于飽和狀態(tài)，幾乎不消耗功率，因此pwm控制方式具有良好的經(jīng)濟(jì) 性。但是由于電機(jī)供電電壓處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此導(dǎo)致噪聲、振動(dòng)以及電刷、換向器 損傷

22、等問(wèn)題的出現(xiàn)，但這些問(wèn)題從控制技術(shù)上已經(jīng)逐步得到解決。所以pwm控制 方式（如圖2.3所示）已經(jīng)成為現(xiàn)代直流電機(jī)控制技術(shù)的主流。如圖2-3我們使三極管高速的開(kāi)-關(guān)，就可以通過(guò)改變開(kāi)-關(guān)的時(shí)間比率來(lái)改變 平均電壓，從而達(dá)到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這時(shí)的品體管工作在飽和狀態(tài)。圖2. 3脈沖調(diào)制原理2. 2. 3 pwm控制原理如圖2. 4所示為脈沖寬度調(diào)制(pwm)直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞的工作波形，其電 樞電壓v(t)是一系列矩形脈沖電壓，開(kāi)閉周期t和電壓脈沖幅值h恒定，電壓脈 沖的寬度仁是一個(gè)可控量。v (t)=h ntwtwnt+tn(2.6)v(t)=o twtw(n+l)t(2.7)htn r_ti圖

23、2. 4 pwm工作方式下電樞電壓調(diào)整電壓脈沖的寬度tn就可以改變電樞兩端的平均電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制。脈寬調(diào)制的任務(wù)就產(chǎn)生頻率不變，寬度可調(diào)的脈沖信號(hào)，并按 一定的方式驅(qū)動(dòng)功率放大器，最給直流電機(jī)輸出不同方向，不同大小的電壓。從而 控制屯機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。圖2-5 pwm信號(hào)波形12 vcycle0 v圖2. 5 pwm信號(hào)波形在一個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，電源電壓e加到電動(dòng)機(jī)電樞 兩端；當(dāng)三極管截止，電動(dòng)機(jī)電樞失去電源，這樣，電動(dòng)機(jī)兩端的平 均電壓為(2. 8)(2.9)ua=e = pe電動(dòng)機(jī)電樞電路方程厶 + rlkem = w0 dt由于切換頻率高，在切換周期內(nèi)，

24、可認(rèn)為電機(jī)的角速度x為常值（不隨頻率變）.電路中的感抗比電阻大得多，可認(rèn)為電樞電壓的交流分量全部降落在電樞電感上，而電感量很小對(duì)直流相當(dāng)于短路，電樞電壓直流分量全部降落在rl + kg上當(dāng)u0=us時(shí),dt(2. 10)當(dāng)uo=0時(shí),刃一刃刃一力2. 2.4 pwm的h橋功率轉(zhuǎn)換電路h橋控制電路具有多種驅(qū)動(dòng)方式，按在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)作用到電樞上的電壓是 正負(fù)交替述是始終為正而分為雙極性控制與單極性控制兩種。根據(jù)調(diào)制過(guò)程中，同 一橋臂上下是否同時(shí)調(diào)制又可將單極性控制方式分為常規(guī)單極性與受限單極性兩 種。一雙極性pwm控制方式雙極性模式pwm控制的特點(diǎn)是在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)作用到電樞上的電壓極性是 正負(fù)

25、交替的。供電電源 llttt2比血廠5問(wèn)車(chē)山i 供電電源圖2. 6 h型橋式雙極性模式pwm轉(zhuǎn)換電路圖2.6為h型橋雙極性模式pwm驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)系。圖中所示的功率轉(zhuǎn) 換電路由4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和4個(gè)續(xù)流二極管(為了明顯，把集成的二極管獨(dú)立畫(huà)了出 來(lái))組成。4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管分別為兩組：tl、t4為一組，t2、t3為一組。在同一組 中的2個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管同時(shí)導(dǎo)通或同時(shí)關(guān)斷；兩組場(chǎng)效應(yīng)管z間是交替地輪流導(dǎo)通和 截止的，亦即柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)人二, 1乜2二ug3二-"。供電電源對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)可有四種 工作模式：(1)t1-電機(jī)-t4； d3-電機(jī)-d2； (3)t2-電機(jī)-t3； (4)d4-電機(jī)-d1。這

26、種 功率轉(zhuǎn)換電路只需單一電源供電，功率mosfet的耐壓要求相對(duì)較低，其缺點(diǎn)是電 樞兩端電壓懸浮，不便于引進(jìn)反饋，且有4個(gè)基極驅(qū)動(dòng)回路數(shù)。高壓伺服電動(dòng)機(jī)比 較普遍地采用此電路形式。二單極性pwm控制方式單極性模式，即在控制指令的控制下，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電動(dòng)機(jī)電樞兩端 的脈沖電壓是單一極性(始終為正)的。h型單極性模式可逆pwm控制的基本方法是 在電樞同側(cè)的2個(gè)功率mosfet上加相位相反的基極驅(qū)動(dòng)電壓，如圖2. 7所示。圖2. 7 h型橋式單極性模式pwm轉(zhuǎn)換電路圖中tl、t3為調(diào)制開(kāi)關(guān)管。根據(jù)電流對(duì)轉(zhuǎn)矩出力作用的不同，可將常規(guī)單極 性控制模式分為兩種狀態(tài)，即驅(qū)動(dòng)狀態(tài)電流回路：t1-電機(jī)-t

27、4； d3-電機(jī)-t4以及 制動(dòng)狀態(tài)電流冋路:d4-電機(jī)-di； d4-電機(jī)-t3。電機(jī)正轉(zhuǎn)吋，常規(guī)單極性模式下t1 與t3工作在交替的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。另一側(cè)的兩個(gè)晶體管中，t2的基極上加截止關(guān)斷電 壓，t4的基極上施加飽和驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，相位相反的基極驅(qū)動(dòng)電壓施 加到t2和t4的基極上，使其工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)上，同時(shí)使t3 一直處在飽和狀態(tài)， t1 一直處在截止的狀態(tài)上。三受限單極性pw控制方式上述的可逆pwm控制方式，在分析工作過(guò)程中都認(rèn)為晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷是 瞬時(shí)的，即理想開(kāi)關(guān)。事實(shí)并非如此，由于飽和管退出飽和區(qū)往往需要經(jīng)歷一個(gè)存 貯時(shí)間，因此在橋路同側(cè)對(duì)應(yīng)管切換時(shí)，必須等待導(dǎo)通的管子確定

28、關(guān)斷之后，另一 管才能開(kāi)通。否則，勢(shì)必造成同側(cè)對(duì)應(yīng)管直通，產(chǎn)生極大的短路電流。為了避免直 通短路，必須引入開(kāi)通延吋電路，延吋吋間必須大于功率mosfet的存儲(chǔ)時(shí)間（通常 為5-20ns）,所以開(kāi)關(guān)頻率的上限也就受到了限制。為此，人們?cè)趯で笠环N不要延 時(shí)的控制方式一一受限單極性模式可逆pwm控制。該模式pwm驅(qū)動(dòng)電路的原理圖及 驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)系如圖2. 8所示。titxlt3motorom01oract4d3d4圖2. 8 h型橋式受限單極性模式pwm轉(zhuǎn)換電路由圖可知，受限單極性pw1工作模式下有3種電流回路情況：t1-電機(jī)-t4； vd3-電機(jī)-t4； vd4-電機(jī)-t3。受限單極性模式pwm功率

29、轉(zhuǎn)換電路與非受限單極性 模式的功率轉(zhuǎn)換電路相同，但人功率m0sfet的通斷情況不同，如中控制信號(hào)為正。 電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，則t1工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，t2、t3始終處于關(guān)斷狀態(tài)，t4處于連續(xù)飽和 狀態(tài)；電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，t2工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，t3處于連續(xù)飽和狀態(tài)。受限單極性模式系統(tǒng)在輕載情況下可能出現(xiàn)電流斷續(xù)的現(xiàn)象，但可避免同橋 臂上下對(duì)管直通的短路現(xiàn)象，大大提高了 pwm系統(tǒng)的工作可靠性。因而，可使用在 環(huán)境惡劣、平均無(wú)故障要求很高的大功率、大慣量口頻繁啟動(dòng)制動(dòng)的pwm系統(tǒng)中, 國(guó)內(nèi)外廣泛采用受限單極性模式控制，而其電流可能斷續(xù)的固有缺點(diǎn)則通過(guò)提高開(kāi) 關(guān)頻率、改進(jìn)電路來(lái)克服。2. 2. 5 pwm調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)

30、特性分析一個(gè)周期內(nèi)，電樞兩端的平均電壓平均電流用良表示，平均電磁(2. 11)轉(zhuǎn)矩為tem = ctid ,電樞電感壓降厶冬的平均值為0,則電樞電壓平衡方程式可寫(xiě) cltpu$ = +e = rid + cen則機(jī)械特性方程可寫(xiě)為：(2. 12)2. 3鎖相環(huán)的原理2. 3.1鎖相環(huán)的基本組成鎖相環(huán)是由基準(zhǔn)頻率源、鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器四部分組成，鎖 相環(huán)路可可使自激振蕩頻率自動(dòng)地鎖定到預(yù)期的基準(zhǔn)頻率上。設(shè)vco輸出的本機(jī) 頻率為fv，標(biāo)準(zhǔn)頻率源為f，fv、fr在鑒相器pd中比較相位。當(dāng)fv與fr同步吋(同 頻、相位差保持一常數(shù))鑒相器輸出誤差電壓u尸0或恒為某一個(gè)值，vco的頻率 f

31、v不變，稱鎖定狀態(tài)；當(dāng)fv與f失步時(shí)，兩信號(hào)的相位差不是一常數(shù)，即失鎖狀 態(tài)，鑒相器輸出血隨即發(fā)生變化，直到fv> fr再次同步，達(dá)到新的鎖定為止。2. 3.2鎖相環(huán)的各部分極其數(shù)學(xué)模型1 鑒相器pd設(shè) vco 信號(hào)為ud(/) = uv cosvr + 0v (/)(2.11)基準(zhǔn)信號(hào)為ur(t) = ur sin69/ + r(z)(2.式中，3為基準(zhǔn)角頻率；為vco的瞬時(shí)角頻率?？梢宰C明鑒相器具有乘 法器的特性，其輸出為，x、的乘積，即ud (/) = kuv知= uvursinost)-0v(t)© 二心 sin0,-=kd sin0e(t)式中，k為乘法器系數(shù)；k(l

32、=-uvur為鑒相器靈敏度；0()為兩信號(hào)的瞬時(shí) 相位差?？梢?jiàn)，鑒相特性是正弦曲線。當(dāng)|<-, sin e嚴(yán)q,則6ud (/) = kd0d(j)(式 2.14)對(duì)上式取拉氏變換，得復(fù)頻域數(shù)學(xué)模型切($)=傷0($)(式 2-15)它是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，可見(jiàn)鑒相器處理的對(duì)象是片和氛而不是原信號(hào)木身，這 就是數(shù)學(xué)模型和原理框圖的區(qū)別。2 壓控振蕩器vc0uc(s)圖2. 9壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型(2. 17)(2. 18)(2. 19)(2. 20)(2.21)vco是個(gè)電壓頻率轉(zhuǎn)換器，它是用電壓來(lái)改變壓控元件的參數(shù)，從而改變振蕩 頻率。vco的瞬時(shí)振蕩頻率與控制電壓ucz間的關(guān)系曲線入圖所示

33、，圖屮，ov0 為中心頻率，即vco的初始頻率,它是.(/) = 0時(shí)的值。在一定范圍內(nèi)，cov (/)與uc(z) 呈線性關(guān)系，可表示為(2. 16)(/) = ©/()+褊叫(/)kv為vco的壓控靈敏度，即曲線的斜率。在鎖相環(huán)中起作用的不是vco的瞬時(shí)頻率而是其瞬時(shí)相位，根據(jù)瞬時(shí)頻率與 瞬時(shí)相位的關(guān)系dt&a)=j cu(t)dt+o考慮到式2.16,得到vco的瞬時(shí)相位為£ cov dt = cov0t + 心(/)力因此，由控制電壓產(chǎn)生的相位增量是久=kvuc(t)dt寫(xiě)成拉氏變換的形式0v(s) = kv-uc(s)s故vco是個(gè)積分環(huán)節(jié)，其數(shù)學(xué)模型如圖

34、2.9所示2.3.3鎖相環(huán)的相位模型及傳輸函數(shù)圖2. 10鎖相環(huán)的相位模型圖2.10為鎖相環(huán)的相位模型。鎖和環(huán)是一個(gè)和位反饋系統(tǒng)，在環(huán)路中流通的是相位，而不是電壓。因此研究鎖相環(huán)的相位模型就可得環(huán)路的完整性能 由圖2.10可知：當(dāng)a點(diǎn)斷開(kāi)環(huán)路時(shí)，鎖相環(huán)的開(kāi)環(huán)相位傳輸函數(shù)為(1)(2)02(s) _kdkvf(s) g ($)環(huán)路閉合時(shí)的相位傳輸函數(shù)為kl(s)=(2. 22)(3)&2(q二心心弘) 麗 一 s + k/k/g)環(huán)路閉合時(shí)的相位誤差傳輸函數(shù)為h (s)(2. 23)(2. 24)h(s)_&1gk)= 0g)= se '%)s-k(lkvf(s)當(dāng)環(huán)路濾

35、波器選用無(wú)源比例積分濾波器吋，經(jīng)推導(dǎo)可得:2(2. 25)+(2軌-備)sh(s) = ；式中，血”2= , t , = r,c , t 2 = r2c1 k2 r, + r26 +2億+£)同樣可得:2 %he(s)=(2. 26)s + s k? 2s +2如 + ® 稱為系統(tǒng)的i古i有頻率或自然角頻率；g 稱為系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。上面討論中的3指的是輸入信號(hào)相位的變化角頻率，而不是輸入信號(hào)本身的 角頻率。如輸入信號(hào)是調(diào)頻信號(hào)，則3指的是調(diào)制信號(hào)的角頻率而不是載波的角頻 率。鎖相環(huán)的輸出頻率（或vco的頻率）30能跟蹤輸入頻率si的工作狀態(tài)，稱 為同步狀態(tài)，在同步狀態(tài)下，始

36、終有30 = 3i。在鎖相環(huán)保持同步的條件下，輸 入頻率3 i的最人變化范圍，稱為同步帶寬，用43h表示。超出此范圍，環(huán)路則失 鎖冋。失鎖時(shí)，30h3i,如果從兩個(gè)方向設(shè)法改變3i,使3i向30靠攏，進(jìn)而使 30=（g）i-00） i,當(dāng)a3o小到某一數(shù)值時(shí)，環(huán)路則從失鎖進(jìn)入鎖定狀態(tài)。這個(gè) 使pll經(jīng)過(guò)頻率牽引最終導(dǎo)致入鎖的頻率范圉稱為捕捉帶a3p。同步帶a3h，捕捉帶z3p和vc0中心頻率30的 關(guān)系如圖2.11圖2.11鎖相環(huán)的同步帶與捕捉帶2. 4鎖相伺服系統(tǒng)的性能表征1. 穩(wěn)定性：這是鎖相伺服系統(tǒng)的基木性能。為了保證系統(tǒng)良好的穩(wěn)定性，對(duì) 鑒頻鑒相器的選擇是極其重要的，不但應(yīng)考慮工作頻率

37、與變化范圍，也要 選擇合適的采樣周期。2. 捕捉特性：即從失鎖過(guò)渡到鎖定狀態(tài)的特性。這通常發(fā)生在系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程 中或在強(qiáng)負(fù)載干擾下。3. 控制精度：鎖相伺服系統(tǒng)的控制精度一般均較高，但它也受系統(tǒng)擾動(dòng)的直 接影響。在系統(tǒng)中，主要擾動(dòng)有：（1）負(fù)載變化是引起速度波動(dòng)的主要根源。（2） 電機(jī)本身的力矩波動(dòng)也是一個(gè)因素，因此要求功率放大器輸出的電流波動(dòng)要小。 （3）編碼器的精度與安裝精度所造成的相位測(cè)量誤差也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。3驅(qū)動(dòng)器硬件電路設(shè)計(jì)3. 1驅(qū)動(dòng)器硬件總體設(shè)計(jì)思路該鎖相伺服系統(tǒng)由參考頻率發(fā)生器、鑒相器、低通濾波器、脈沖寬度調(diào)制屯路、功率放大器、直流伺服電動(dòng)機(jī)和編碼器組成，其中由功率放大器、肓

38、流伺服電 機(jī)和編碼器共同組成鎖相環(huán)路中的壓控振蕩器問(wèn)。3. 2驅(qū)動(dòng)器硬件電路3. 2. 1參考頻率發(fā)生器u?r3 q>trigdisccvoh<§ thrco555參考頻率發(fā)生器采用多諧振蕩器構(gòu)成， 多諧振蕩器是具有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的振蕩電路， 它不需要外加觸發(fā)信號(hào)，就能在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài) 之間連續(xù)交替變換，產(chǎn)生一定頻率和一定脈 寬的矩形脈沖信號(hào)，在本設(shè)計(jì)屮，用的是555 集成定時(shí)器構(gòu)成的方波發(fā)生器來(lái)作為參考頻 率發(fā)牛器。圖3. 1 555定時(shí)器如圖3-1所示，4腳為復(fù)位端,當(dāng)其為低電平的吋候，輸岀端3腳也為低電平;當(dāng)6腳uq 饑/3), 2腳> (vdd/3),輸出端為低電平

39、,7腳導(dǎo)通;當(dāng)6腳un,<(2vdd/3), 2腳utr(vdd/3)，輸出端，7腳保持愿狀態(tài)不變；當(dāng)2腳utr< (vdd/3),輸出端為高電平，7腳截止。圖3. 2方波發(fā)生器圖3-2為振蕩電路，它是直接反饋型振蕩電路， 振蕩電阻r、是直接連在輸出端的，充電放電都是通 過(guò)電阻ra.因此，充電周期t|和放電周期t2相等的， 占空比為50%。充放電周期：t、= t? = 0.6937?八 x c碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周能輸出60個(gè)脈沖，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要求在501000轉(zhuǎn)/分可調(diào),碼盤(pán)輸出脈沖的頻率范圍在501000hz z間，這就是多諧振蕩器所應(yīng)該調(diào)節(jié)的范圍。根據(jù)式3.1/l =0.722=50f

40、n0.7221000取電容的大小為2.2/f ,可得振蕩電阻的變化范圍為330 q6.5k q。取一個(gè)330q固定電阻和一個(gè)10 kq的可調(diào)電阻組成振蕩電阻。圖3. 3參考頻率源波形圖3.2.2相位比較器及放大電路相位比較器的作用就是要將可調(diào)振蕩器送來(lái)的速度控制信號(hào)和電動(dòng)機(jī)的速度反饋信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為能夠控制電機(jī)的電壓信號(hào)。下圖為異或門(mén)相位比較器u2圖3. 4異或門(mén)鑒相器原理u】、u2為兩個(gè)止弦信號(hào)源，幅值為5v,頻率為1000hz, u2、u3為兩個(gè)d觸發(fā)器, 每個(gè)d觸發(fā)器都接成二分頻器，其作用是將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)化為占空比為1： 1的方波 信號(hào)，u】為異或門(mén)，兩路方波信號(hào)送到異或門(mén)u”異或門(mén)輸

41、出信號(hào)u。的脈寬與兩路 方波信號(hào)的相位差相對(duì)應(yīng)。圖3. 5相位差為30°時(shí)的波形圖3. 6相位差為120°時(shí)的波形對(duì)這一脈寬信號(hào)處理有兩種方法，一種方法是將輸出信號(hào)送入一個(gè)低通濾波 器，濾波后的輸出與脈沖寬度成正比，即與兩個(gè)信號(hào)的相位差成正比，根據(jù)輸出信 號(hào)u。的高低可以確定兩路信號(hào)的相位差。另一種方法是將u。用做門(mén)控信號(hào)，只有當(dāng)u。為高電平時(shí)時(shí)鐘脈沖才能通過(guò)門(mén) 電路進(jìn)入計(jì)數(shù)器，這樣進(jìn)入計(jì)數(shù)器的的脈沖數(shù)n與脈寬成正比，即脈沖個(gè)數(shù)與相位 差成正比。但是，異或門(mén)相位比較器不能鑒別到底是哪路信號(hào)是和位超前。本次設(shè)計(jì)的相位比較器采用集成鎖相環(huán)ne564,其內(nèi)部框圖如圖3.7所示：(

42、l?-j.jsro1d26圖3. 7 ne564的內(nèi)部框圖ne / se564單片鎖相環(huán)只需+5v工作電壓，ttl電平輸入和輸岀，片內(nèi)壓控振 蕩器最高振蕩頻率為50mhz.片外壞路增益控制。主要應(yīng)用于高速調(diào)解調(diào)、fsk接 收和發(fā)送、頻率臺(tái)成、信號(hào)發(fā)生器等場(chǎng)合它由限幅器、相位比較器、放大器、直流 恢復(fù)器、二次檢測(cè)處理器、施密特觸發(fā)器、壓控振蕩器組成。2腳為環(huán)路增益控制 端，3腳為壓控振蕩器輸入信號(hào)輸出端，4、5腳為環(huán)路濾波引岀端，6腳為信號(hào) 輸入端，在本設(shè)計(jì)中，只用到它的鑒相器部分問(wèn)。鑒相靈敏度可以近似的按下式計(jì)算：c "jolts、 cc 1 n-4/ volts 、/ 八«

43、;0.66() + 9.2xl0 (-)x/flm5(/za) radrad x /za取偏置電流為200 u a得到kd «0.844v/raj偏置電流ibias =5v25©= 20(m圖3. 8負(fù)反饋放大電路放大電路釆用的是負(fù)反饋放大電路，如圖3. 8所示輸入信號(hào)是從放大器的反向 端輸入，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的相位相差180度，電壓放大倍數(shù)只和反饋回路中的 電阻有關(guān)，輸出電壓： 5=_弘5(3.2)° /?,'該電壓信號(hào)將輸出到脈沖寬度調(diào)制電路屮的比較器的一個(gè)輸入端，去調(diào)制矩形脈沖的寬度。3.2.3 pwm調(diào)制電路脈沖調(diào)制器是一個(gè)電壓-脈沖轉(zhuǎn)換裝置。由

44、控制電壓人進(jìn)行控制，為pwi變換圖3.9脈沖調(diào)制電路器提供所需的脈沖信號(hào)。脈寬調(diào)制器的基本原理是將直流信號(hào)和一個(gè)調(diào)制信號(hào)比 較，調(diào)制信號(hào)可以是三角波，也可以是鋸齒波。木設(shè)計(jì)中所用的是鋸齒波作為調(diào)制信號(hào)，其電路原理圖如圖3. 9所示，由555集成定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，其占空比達(dá)到95%以上，3腳輸出端經(jīng)過(guò)電阻&、 心充電，然后經(jīng)過(guò)電阻r9放電，則電容兩端輸岀的波形為近似的鋸齒波，輸岀電壓 從ivcc-vcc，其頻率31.443(/? +) x cu i.skhz該鋸齒波信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)由放大器lm307組成的減法運(yùn)算電路與滑動(dòng)變阻器分的電源電壓進(jìn)行減法運(yùn)算，調(diào)整滑動(dòng)變阻器的阻值，可以改變后

45、面電壓比較器輸出r51圖3. 10減法電路的矩形脈沖的占空比，令同相端的輸入為零，貝限相端的的輸出/嚴(yán)-心仏 尺40令反相端的輸入為零，則同相端的輸岀根據(jù)疊加定理可得u(> = u(a +/?=心k r41 心)(3. 3)lm393是一個(gè)電壓比較器，根據(jù)門(mén)限電壓的高低，來(lái)決定所合成的波形的脈沖的寬度，其門(mén)限電壓為:圖中,rlk, r2=5k,所以門(mén)限電平uth 二- + 電壓比較電路的因其工作要求具有以下兒個(gè)特點(diǎn)：集成運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài)，因此電壓比較電路具有很高的靈敏度和響應(yīng)速度；輸入信號(hào)與輸岀信號(hào) 之間是非線性關(guān)系，它的兩個(gè)輸入端之間的電壓與開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)的乘積通常超 過(guò)它

46、的最人輸出電壓。器件工作在飽和或者是截止?fàn)顟B(tài)，因此其輸出與輸入呈非線 性關(guān)系。同過(guò)以上的描述可以看出，電壓比較器相當(dāng)于一個(gè)受輸入信號(hào)控制的開(kāi)關(guān), 當(dāng)輸入信號(hào)通過(guò)閾值時(shí)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作，輸出信號(hào)從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平。信號(hào)發(fā)生器模擬的是從鑒相器輸出的由于相位差而產(chǎn)生的電壓信號(hào)，接入電壓 比較起的另一個(gè)輸入端，用來(lái)改變電壓比較器的門(mén)限電平，使電壓比較器輸出的方 波占空比隨著門(mén)限電壓的改邊而改變，如圖3. 12圖3. 12鑒相器的輸入與輸出信號(hào)圖中，信號(hào)b為信號(hào)發(fā)牛器產(chǎn)牛的 頻率為100hz的正弦波，用來(lái)模擬鑒相 器因相位差產(chǎn)生的緩慢變化的電壓信 號(hào)，此信號(hào)用來(lái)調(diào)制脈沖矩形脈沖的寬 度，由圖上可以看出

47、，當(dāng)正弦信號(hào)的幅 值達(dá)到+wp的時(shí)候，脈寬調(diào)制波a的占 空比達(dá)到最大值，當(dāng)正弦信號(hào)的幅值達(dá) 到-的時(shí)候，脈寬調(diào)制波a的占空比 達(dá)到最小值。這個(gè)被調(diào)制后的脈沖信號(hào)將會(huì)被送到h橋功率放大電路，去控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。3. 2.4功率放大電路晶體管qi、q2、q3、q4組成h橋電路，同側(cè)的兩三極管之間的電位近似為該系統(tǒng)的功率放大電路由三極管組成的h橋型開(kāi)關(guān)電路，該電路由四大功率 三極管和四個(gè)二極管組成，電源電壓為±12v,三極管q、q2、qs、q-選用大功 率開(kāi)關(guān)三極管，電路原理如圖3.13所示：零電位，橋式電路的上端的兩個(gè)三極管通過(guò)止電源對(duì)地的電壓差提供偏置電壓，下 端的兩個(gè)三極管通過(guò)地

48、對(duì)負(fù)屯源的屯壓差提供偏置屯壓。當(dāng)電路工作時(shí)，非同側(cè)的 兩個(gè)三極管導(dǎo)通，加在電動(dòng)機(jī)兩端的電壓為正負(fù)兩電源電壓差之和。電阻r1在替 代肓流伺服電動(dòng)機(jī)，電壓控制開(kāi)關(guān)替代光電耦合器，左側(cè)的非門(mén)、兩個(gè)與門(mén)組成多 路分配器，其作用是選擇信號(hào)的傳輸路徑，來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。信號(hào)源vi模 擬由比較器送來(lái)的脈寬調(diào)制波。開(kāi)關(guān)的作用是使多路分配電路的輸入端選擇高低電 平，以改變a、b端的波形輸出。當(dāng)開(kāi)關(guān)s1接低電平吋，a點(diǎn)的引腳的輸出是脈寬調(diào)制波，其幅值為電源電 壓5v, b點(diǎn)輸出電壓為0,此時(shí)，壓控開(kāi)關(guān)ji、j2隨脈寬調(diào)制波開(kāi)啟關(guān)斷，晶體 管qi、q3受控開(kāi)啟關(guān)斷，此時(shí)電流從正電源一ql電動(dòng)機(jī)fqs到負(fù)電源，電

49、動(dòng)機(jī) 兩端讀出為止電壓，其幅值為22.2v,電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，各處的波形如圖3.14所示：圖3. 14開(kāi)關(guān)s2接低電平時(shí)h橋電路輸出當(dāng)開(kāi)關(guān)s1接低電平吋，b點(diǎn)的引腳的輸出是脈寬調(diào)制波，其幅值為電源電壓 5v, a點(diǎn)輸出電壓為0,此時(shí)，壓控開(kāi)關(guān)j3、j4隨脈寬調(diào)制波開(kāi)啟關(guān)斷，晶體管 q2、q4受控開(kāi)啟關(guān)斷，此時(shí)電流從正電源一qf電動(dòng)機(jī)一q2到負(fù)電源，電動(dòng)機(jī)兩 端讀出為負(fù)電壓，其幅值為-22.2v,電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，各處的波形如圖3.15所示：圖3. 15開(kāi)關(guān)si接低電平時(shí)h橋電路輸出3. 2.5速度反饋及脈沖整形電路為了能將電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與所給定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，必須通過(guò)一個(gè)裝置將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)化為一系列的脈沖反饋給鑒相器。圖3. 16 頻率反饋及脈沖整形電路它由裝載電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的有n道小槽的圓盤(pán)光柵，光電耦合器及整形電路組 成，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一個(gè)帶有均勻分布小槽的圓盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，圓盤(pán)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中切斷光 源，使光電耦合器中的半導(dǎo)體器件處于導(dǎo)通關(guān)斷交替狀態(tài)，把電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為 一系列的脈沖，然