伺服電機驅(qū)動控制器

1、 目錄一、 伺服驅(qū)動概述1二、 本產(chǎn)品特性2三、 電路原理圖及PCB版圖4四、 電路功能模塊分析4五、 焊接（附元件清單）14六、 編者設(shè)計體會16一 伺服驅(qū)動概述1. 伺服電機的概念伺服電機是在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，作為一種執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機是可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的電機械轉(zhuǎn)換器，直流伺服電機的輸出轉(zhuǎn)速與輸入電壓成正比，并能實現(xiàn)正反向速度控制。2. 伺服電機分類 普通直流伺服電動機直流伺服電機 低慣量直流伺服電動機 直流力矩電動機3. 控制系統(tǒng)對伺服電動機的基本要求寬廣的調(diào)速范圍機械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性無

2、“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象快速響應(yīng)控制功率小、重量輕、體積小等。4. 直流伺服電機的基本特性（1）機械特性 在輸入的電樞電壓Ua保持不變時，電機的轉(zhuǎn)速n隨電磁轉(zhuǎn)矩M變化而變化的規(guī)律，稱直流電機的機械特性 （2）調(diào)節(jié)特性 直流電機在一定的電磁轉(zhuǎn)矩M（或負(fù)載轉(zhuǎn)矩）下電機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n隨電樞的控制電壓Ua變化而變化的規(guī)律，被稱為直流電機的調(diào)節(jié)特性（3）動態(tài)特性 從原來的穩(wěn)定狀態(tài)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，存在一個過渡過程，這就是直流電機的動態(tài)特性5. 直流伺服電機的驅(qū)動原理伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電

3、機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達到0.001mm 直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。無刷直流伺服電機電機體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定。容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護

4、不存在碳刷損耗的情況，效率很高，運行溫度低噪音小，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境 6.步進電機： 直流伺服電機,它包括定子、轉(zhuǎn)子鐵芯、電機轉(zhuǎn)軸、伺服電機繞組換向器、伺服電機繞組、測速電機繞組、測速電機換向器,所述的轉(zhuǎn)子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機轉(zhuǎn)軸上構(gòu)成, 按電刷類型可分為有刷直流伺服電機和無刷直流伺服電機；直流伺服電機的基本特性如下： 1、機械特性 在輸入的電樞電壓Ua保持不變時，電機的轉(zhuǎn)速n隨電磁轉(zhuǎn)矩M變化而變化的規(guī)律，稱直流電機的機械特性。 2、調(diào)節(jié)特性 直流電機在一定的電磁轉(zhuǎn)矩M（或負(fù)載轉(zhuǎn)矩）下電機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n隨電樞的控制電壓Ua變化而變化的規(guī)律，被稱為直流電機的調(diào)節(jié)特性。 3

5、、動態(tài)特性 從原來的穩(wěn)定狀態(tài)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，存在一個過渡過程，這就是直流電機的動態(tài)特性。 二、本產(chǎn)品特性 此產(chǎn)品為直流電機驅(qū)動器，可控制電機的轉(zhuǎn)速，分幾個檔位，旋動檔位可設(shè)定電機以不同的速度轉(zhuǎn)動。此產(chǎn)品可用于帶電機的機器的電機控制部分，具有很高的性能。產(chǎn)品基本特性如下：本產(chǎn)品是基于MC33030直流伺服電機控制器/驅(qū)動器芯片的具有過流保護功能的大功率高精度電機控制系統(tǒng)。該驅(qū)動電路輸入24V直流電壓，為H橋供電，提供大電流驅(qū)動直流電機（MC33030驅(qū)動能力較弱），經(jīng)穩(wěn)壓后為芯片供電，并輸出5v直流電壓，經(jīng)檔位控制分壓后，作為基準(zhǔn)，輸入到MC33030主控芯片；該電路帶有微調(diào)模塊，可以對基準(zhǔn)電壓

6、進行微調(diào)；具有反饋功能，將反饋信號輸入MC33030，進行閉環(huán)控制；具有過流保護功能，防止電機損壞。該產(chǎn)品由電源模塊,主控芯片MC33030電路, H 驅(qū)動橋模塊, 過流保護模塊, 微調(diào)模塊, 平衡模塊組成。各模塊作用如下：電源模塊: 輸入為21V 直流電，輸出12V，5V 直流電，并通過自舉電路產(chǎn)生24V電源給H 橋供電 微調(diào)模塊：微調(diào)電機速度 平衡模塊：電路結(jié)構(gòu)與微調(diào)電路相似。通過U5D 引入正反饋，輸出接到微調(diào)電路比較器的同相輸入端。與S10共同影響U1A的輸出。 MC33030伺服模塊：MC33030是單片的直流伺服電機控制器。 橋：增加電路驅(qū)動能力，實現(xiàn)大功率輸出。 過流保護模塊：防

7、止過載燒毀電路伺服電機驅(qū)動器特性-使用MC33030伺服驅(qū)動芯片，可靠性高，帶保護功能-支持正傳與反轉(zhuǎn)控制，速度控制-高輸出功率，高電源轉(zhuǎn)換效率-抗干擾能力強，適用于各種復(fù)雜電磁環(huán)境-21V 直流電源供電-內(nèi)部12V，5V 直流電電壓調(diào)整和穩(wěn)壓，并通過自舉電路產(chǎn)生24V 電源給H 橋供電。-微調(diào)電機速度-過流保護, 防止過載燒毀電路PCB板特性-雙面線路板-工藝：FR-4噴錫板 -厚度：1.6mm -阻焊：綠色應(yīng)用-汽車油門控-直流電機驅(qū)動 三、電路原理圖PCB：四、電路功能模塊分析（一）系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)劃分為以下幾部分： 電源模塊：該電源模塊的輸入為21V直流電，輸出12V，5V直流電，并通過

8、自舉電路產(chǎn)生24V電源給H橋供電。 微調(diào)模塊：微調(diào)電機速度 平衡模塊 MC33030伺服模塊 橋：增加電路驅(qū)動能力，實現(xiàn)大功率輸出。 過流保護模塊：防止過載燒毀電路系統(tǒng)框圖如下所示：（二）各模塊詳細(xì)分析1、電源電路：Q12和Q3采用集成穩(wěn)壓器7812和7805。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓。 C14，C3，C15，C10，C9，C8，C5，C4，C16為濾波電容。D1,D13為防反接保護二極管，D34，D14

9、為防反灌二極管，Y是電源指示燈。R32用于分壓，防止7805過熱損壞。MG11019是達林頓復(fù)合管，用于過流保護，R1，R2，R3構(gòu)成電源電流取樣電路，電源電流過大會使Q1導(dǎo)通。ZR1，ZR2時壓敏電阻，用于過壓保護，防止電路故障時損壞后級電路。2、微調(diào)電路該電路由四比較器U1（LM339）和四運放U2（LM2902）構(gòu)成，待比較信號從S10,S15,S16,S14輸入。33K和15K電阻構(gòu)成分壓電路，用于衰減輸入信號。100pF電容用于濾除噪聲。八個1N4148二極管用于過壓保護，防止輸入電壓高于電源或低于地。LM339集成塊內(nèi)部裝有四個獨立的電壓比較器，該電壓比較器的特點是：1）失調(diào)電壓小

10、，典型值為2mV；2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為1V-18V；3）對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）Vo；5）差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。LM339類似于增益不可調(diào)的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用 “-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當(dāng)于

11、輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當(dāng)輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。LM339的反向輸入端接固定電平，輸出為集電極開路，接電位器以便調(diào)節(jié)輸出電壓。LM2902是通用四運放。構(gòu)成

12、電壓跟隨器，用于降低輸出電阻。四只IN4007二極管用于選出四路中的最高輸出電壓。3、平衡電路電路結(jié)構(gòu)與微調(diào)電路相似。通過U5D引入正反饋，輸出接到微調(diào)電路比較器的同相輸入端。與S10共同影響U1A的輸出。平衡電路是于產(chǎn)生相同和相反信號的電路，它將這些信號送入兩個導(dǎo)線。電路的平衡特性越好，信號的散射就越小，它的噪聲抑制特性也越好 (因此它的 EMC 性能就越好)。4、H橋電路 圖1中所示為一個典型的直流電機控制電路。電路得名于“H橋驅(qū)動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠（注意：圖1及隨后的兩個圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動電

13、路沒有畫出來）。如圖所示，H橋式電機驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。圖1 H橋驅(qū)動電路 要使電機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。例如，如圖2所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時，電流將從左至右流過電機，從而驅(qū)動電機按特定方向轉(zhuǎn)動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。圖2 H橋電路驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動圖3所示為另一對三極管Q2和

14、Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時，電流將從右至左流過電機，從而驅(qū)動電機沿另一方向轉(zhuǎn)動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向）。圖3 H橋驅(qū)動電機逆時針轉(zhuǎn)動使能控制和方向邏輯 驅(qū)動電機時，保證H橋上兩個同側(cè)的三極管不會同時導(dǎo)通非常重要。如果三極管Q1和Q2同時導(dǎo)通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負(fù)極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管。基于上述原因，在實際驅(qū)動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。 圖4 所示就是基于這種考慮的改進電路，它在基本H橋電路的基礎(chǔ)上增加了4個與

15、門和2個非門。4個與門同一個“使能”導(dǎo)通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關(guān)。而2個非門通過提供一種方向輸人，可以保證任何時候在H橋的同側(cè)腿上都只有一個三極管能導(dǎo)通。（與本節(jié)前面的示意圖一樣，圖4所示也不是一個完整的電路圖，特別是圖中與門和三極管直接連接是不能正常工作的。）圖4 具有使能控制和方向邏輯的H橋電路 采用以上方法，電機的運轉(zhuǎn)就只需要用三個信號控制：兩個方向信號和一個使能信號。如果DIRL信號為0，DIRR信號為1，并且使能信號是1，那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機（如圖5所示）；如果DIRL信號變?yōu)?，而DIRR信號變?yōu)?，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反

16、向流過電機。圖5使能信號與方向信號的使用這是一個典型的直流電機控制電路。電路得名于“H橋驅(qū)動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠。H橋式電機驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。要使電機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。驅(qū)動電機時，保證H橋上兩個同側(cè)的三極管不會同時導(dǎo)通非常重要。如果三極管Q9和Q11同時導(dǎo)通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負(fù)極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達

17、到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管。基于上述原因，在實際驅(qū)動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。 Q6，Q7，Q4，Q5構(gòu)成達林頓管的驅(qū)動電路，用于控制三極管的開關(guān)，防止上下橋臂直通，造成功率管損壞。 5、過流保護LM399作為比較器使用，U4A是普通比較器，用于延遲保護,C28充電到6V時輸出高電平。U4B構(gòu)成定時電路，用于過流保護后的恢復(fù)。電路輸出接到MC33030的關(guān)斷控制引腳。6、MC33030MC33030是單片的直流伺服電機控制器。提供一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)電路。包括一個片上運算放大器和寬輸入共模范圍窗口比較器，驅(qū)動和制動邏輯與方向邏輯，H橋驅(qū)動能力高達1A，

18、具有獨立可編程的過電流監(jiān)控，過電壓監(jiān)視器。非常適合幾乎所有的伺服應(yīng)用。MC33030具有以下功能。片上反饋監(jiān)測誤差放大器窗口探測器盲區(qū)和自我為中心參考輸入驅(qū)動/制動邏輯記憶與方向1.0 A電源H型開關(guān)可編程的過電流檢測可編程的過電流關(guān)斷延遲過壓關(guān)斷MC33030自帶H橋電路，但驅(qū)動能力不足，所以外接由分立構(gòu)成的H橋電路。五、焊接1.電路板焊接流程焊接微小器件（電阻、電容等）焊接電源部分，并進行電源的調(diào)試，確保各組電源的正確無誤焊接 IC焊接接插件。 電路焊接完畢，酒精浸泡 10 分鐘左右，用刷子洗刷干凈，晾 干。 電路板的檢查： A、元件有沒有錯焊、漏焊 。 B、元件的方向、極性是否正確。 C

19、、仔細(xì)檢查是否有短路和虛焊。 （注：電路板檢查應(yīng)重復(fù)兩三次。）2. 電路板焊接工藝要求焊接表面必須保持清潔 即使是可焊性好的焊件，由于長期存儲和污染等原因，焊件的表面可能產(chǎn)生有害的氧化膜、油污等。所以，在實施焊接前必須清潔表面，否則難以保證質(zhì)量。焊接時溫度、時間要適當(dāng)，加熱均勻 焊接時，將焊料和被焊金屬加熱到焊接溫度，使熔化的焊料在被焊金屬表面浸濕擴散并形成金屬化合物。因此，要保證焊點牢固，一定要有適當(dāng)?shù)暮附訙囟?。在足夠高的溫度下，焊料才能充分浸濕，并充分?jǐn)U散形成合金層。過高的溫度是不利于焊接的。焊接時間對焊錫、焊接元件的浸濕性、結(jié)合層形成都有很大的影響。準(zhǔn)確掌握焊接時間是優(yōu)質(zhì)焊接的關(guān)鍵。焊點

20、要有足夠的機械強度 為了保證被焊件在受到振動或沖擊時不至于脫落、松動，因此，要求焊點要有足夠的機械強度。為使焊點有足夠的機械強度，一般可采用把被焊元器件的引線端子打彎后再焊接的方法，但不能用過多的焊料堆積，這樣容易造成虛焊和焊點與焊點之間的短路。焊接必須可靠，保證導(dǎo)電性能 為使焊點有良好的導(dǎo)電性能，必須防止虛焊。虛焊是指焊料與被焊物表面沒有形成合金結(jié)構(gòu)，只是簡單地依附在被焊金屬的表面。在焊接時，如果只有一部分形成合金，而其余部分沒有形成合金，則這種焊點在短期內(nèi)也能通過電流，用儀表測量也很難發(fā)現(xiàn)問題。但隨著時間的推移，沒有形成合金的表面就要被氧化，此時便會出現(xiàn)時通時斷的現(xiàn)象，這勢必造成產(chǎn)品的質(zhì)量問題。附：元件清單電阻等詳盡列表：電阻1268110012001330168041k191.5k62.2k125.1k15.6k18.2k212k110k415k420k727k133k456k4100k1200k13.3m16.8m2滑動變阻器50k4LED紅、黃、綠