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PWM控制器UC2637的工作方式及應(yīng)用

發(fā)布時間:2018-11-15 09:19:56

 

    摘要:現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)日新月異,發(fā)展很快.在從事研制開發(fā)的多個型號課題中應(yīng)用了直流電動舵機(jī),而其核心部分直流電機(jī)控制方式又多采用脈沖調(diào)寬方式,對電動舵機(jī)脈沖調(diào)寬驅(qū)動芯片UC2637工作方式中的幾種情況給予討論,希望對其能夠靈活運(yùn)用,并可推廣到其他的使用情況中去.

  0 概述

  直流電機(jī)或直流舵機(jī)在許多領(lǐng)域中都得到廣泛應(yīng)用.而在現(xiàn)代直流電機(jī)控制領(lǐng)域中,脈沖調(diào)寬驅(qū)動方式(PWM)得到越來越廣泛的應(yīng)用.在筆者所從事的某型號無人機(jī)伺服回路的研制中采用了美國Unitrode 公司推出的開關(guān)模式直流電機(jī)控制芯片UC2637.該芯片原理簡單,使用方便,可靠性高.PWM波的工作頻率設(shè)置在20 kHz左右.這種方式與線性功率放大電路及電平控制驅(qū)動方式(bang.bang)相比有許多優(yōu)點(diǎn):

  首先,這種控制方式工作在開關(guān)狀態(tài),自身效率高,功耗小,在穩(wěn)定工作時發(fā)熱少.

  其次,這種控制方式可以近似認(rèn)為是一個比例環(huán)節(jié),工作時線性度較好.

  再次,由于這種控制方式在高頻方波狀態(tài)下工作,含有直流分量和各次諧波分量,使電機(jī)在諧波作用下做小振幅高頻振動.可以**清除電機(jī)死區(qū),加快電機(jī)啟動速度.且電機(jī)時間常數(shù)又遠(yuǎn)大于脈沖調(diào)寬方波的載波周期,所以電機(jī)在諧波作用下的高頻振動振幅近似為零.

  1 脈沖調(diào)寬驅(qū)動芯片UC2637 工作原理簡述

  1.1 UC2637組成

  控制器UC2637 基本上由4 只輸入分壓電阻.2 個比較器,1 個三角波發(fā)生器.控制邏輯組成.如圖1所示.

    1.2 PWM控制電路工作原理

  如圖2所示,三角波發(fā)生器產(chǎn)生出一個線形度很高的三角波送至比較器A的負(fù)端和比較器B的正端(為分析方便假設(shè)其峰.峰值為±5 V).假設(shè)初始狀態(tài)時500 Ω關(guān)于輸入電壓上下對稱的,每個比較器輸出占空比為50%的方波,如圖2(a)所示.

    當(dāng)輸入電壓上升到為2.5 V時,使得1/4的三角波高于輸入電壓,3/4的三角波低于輸入電壓,比較器A就將產(chǎn)生占空比75%的方波,B 將產(chǎn)生占空比25%的方波,如圖2(b)所示.反之,當(dāng)輸入電壓下降至-2.5 V時,比較器A 就將產(chǎn)生占空比25%的方波,B 將產(chǎn)生占空比75%的方波.當(dāng)電路接上500 Ω電阻以后,輸入電壓從比較器上來看是經(jīng)過輕微矯正過的,比較器A上輸入電壓比實(shí)際稍低,比較器B上輸入電壓比實(shí)際稍高.使得A.B輸出方波的占空比比原來均稍小,簡單來說就是為所有的管子提供了死區(qū),并且總的死區(qū)時間是不變的(見圖3).這樣,就產(chǎn)生了兩組方波去控制驅(qū)動級H橋電路.

    1.3 H橋工作原理

  如圖4所示,H橋由2只N溝道MOSFET和兩只P溝道MOSFET組成.其中,1#和4#開關(guān)管同時導(dǎo)通時2#和3#開關(guān)管同時關(guān)斷,這樣電流經(jīng)電源流過1# MOSFET,電機(jī),4# MOSFET到地,電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn);反之,2#和3#開關(guān)管同時導(dǎo)通時1#和4#開關(guān)管同時關(guān)斷,這樣電流經(jīng)電源流過2# MOSFET,電機(jī),3# MOSFET 到地,電機(jī)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn).當(dāng)PWM 方波處于死區(qū)時,4 只開關(guān)管同時關(guān)斷,電機(jī)此時完成正反轉(zhuǎn)切換.

    綜上所述,PWM控制方式就是用一組頻率一定(一般為幾十kHz到幾百kHz不等)占空比可調(diào)的方波控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn).

    2 脈沖調(diào)寬驅(qū)動方式幾種形式及應(yīng)用

  筆者在PWM控制電路多次調(diào)試過程中,發(fā)現(xiàn)了一個較為有趣的現(xiàn)象.如前圖3所示,比較器A.B的輸入電壓同原輸入電壓相比均有微小變化,使得比較器A.B的輸出方波占空比比原來均稍小,簡單來說就是為所有的管子提供了死區(qū).這樣做的好處是為了H 橋電路的MOSFET不至于在正反轉(zhuǎn)切換的過程中上下直通,形成短路(這在PWM 電路中是務(wù)必要注意的).一般情況下,多將死區(qū)的時間設(shè)置為恰好不使MOSFET上下直通或稍長.為滿足伺服系統(tǒng)所提要求,在實(shí)驗中曾經(jīng)多次調(diào)整死區(qū)時間,發(fā)現(xiàn)死區(qū)時間長短不同對PWM 控制性能有較大影響.現(xiàn)將其對控制性能的影響分析如下:

  首先假設(shè)控制輸入電壓為Ui,三角波周期為T,峰值為±5 V.

  2.1 占空比各占45%左右的情況

  占空比各占45%左右的情況工作如圖3所示,是*為常用的一種控制方式.設(shè)置這種工作方式的方法如圖1中所示,將輸入端的4只分壓電阻參數(shù)如圖設(shè)置即可.則:

    分析其工作常態(tài)即輸入電壓為0 V 時的情況.此時,由上述計算公式可算得比較器A.B輸出方波占空比各為45%左右,參照圖4可知1#,4# MOSFET導(dǎo)通時間為45%×T;2#,3# MOSFET導(dǎo)通時間同樣為45%× T.這樣,作用在電機(jī)兩端的正反向電壓平均值相等,電機(jī)靜止.當(dāng)輸入電壓大于0 V 時比較器A 輸出占空比加大而比較器B輸出占空比減小,作用在電機(jī)上平均電壓為正,電機(jī)正轉(zhuǎn);反之,則反轉(zhuǎn).

  通過分析及實(shí)驗發(fā)現(xiàn)這種工作情況的顯著優(yōu)點(diǎn)是:

  當(dāng)控制電路輸入電壓為0 V時,電機(jī)在諧波作用下做振幅極小的高頻振動.可以**清除電機(jī)死區(qū),加快電機(jī)啟動速度.

  但同時發(fā)現(xiàn)其也有顯著缺點(diǎn):電機(jī)在停轉(zhuǎn)時,依然有功率密度較高的電壓作用其上,若電機(jī)內(nèi)阻稍大,經(jīng)過長時間工作,在停轉(zhuǎn)時電機(jī)也明顯發(fā)熱,升溫較快,產(chǎn)生大量無用功.于是為解決這個問題,經(jīng)反復(fù)分析實(shí)驗,找到下面的方法.

  2.2 占空比各占15%左右的情況設(shè)置這種工作方式的方法如前圖1中所示,將輸入端的2 只500 Ω分壓電阻參數(shù)重新設(shè)置為5 kΩ即可.

  這種工作情況如圖5所示.

    同樣分析其工作常態(tài)即輸入電壓為0 V 時的情況.此時,由上述計算公式可算得比較器A.B輸出占空比各為15%左右,這樣,作用在電機(jī)兩端的正反向電壓平均值同樣相等,電機(jī)靜止.

  但這種工作方式同前一種*大不同之處在于:電機(jī)停轉(zhuǎn)時,作用在電機(jī)上電壓為一系列脈沖電壓.于是,在穩(wěn)態(tài)時電機(jī)發(fā)熱明顯減小,PWM 電壓所做無用功減小.但高頻方波清除電機(jī)死區(qū),加快電機(jī)啟動速度的功能卻明顯減弱了.

  由上述分析可知,第一種控制方式適用于電機(jī)內(nèi)阻較小,控制線形度要求極高的情況.第二種控制方式適用于電機(jī)內(nèi)阻較大,控制線形度要求不高的的情況.但在有些時候還需要利用電機(jī)的死區(qū)工作方式,同樣通過設(shè)置圖1中輸入端的分壓電阻即可.

  2.3 死區(qū)工作方式

  設(shè)置這種工作方式的方法如前圖1中所示,將輸入端的2 只500 Ω分壓電阻參數(shù)重新設(shè)置為13 kΩ即可.

  這種工作情況如圖6所示.

    同樣分析其工作常態(tài)即輸入電壓為0 V時的情況.

  這時兩比較器輸入電壓均高于三角波電壓,兩比較器輸出同時為低,無電壓作用于電機(jī)兩端,電機(jī)停轉(zhuǎn).當(dāng)輸入電壓微小變化時(無論正負(fù)),只要仍使兩比較器輸入電壓高于三角波電壓,電機(jī)仍然停轉(zhuǎn)(見圖6(a)).這樣就實(shí)現(xiàn)了死區(qū)控制,即輸入電壓在0 值附近一定區(qū)間變化,而被控對象不響應(yīng).此死區(qū)大小可通過調(diào)整圖1中4只分壓電阻確定.

  當(dāng)輸入電壓變化超過死區(qū)范圍后,A或B比較器中的一個開始工作,此時作用在電機(jī)上的是一串單邊方波,電機(jī)開始轉(zhuǎn)動.

  3 結(jié)語

  通過上述分析討論,發(fā)現(xiàn)在PWM 控制芯片中用于防止H橋上下直通的設(shè)置死區(qū)的分壓電阻可靈活運(yùn)用,產(chǎn)生不同的控制方式.此方法可推廣到其他PWM控制電路,具體采用那種方式則需視被控對象或控制要求不同而定.同時通過此次工作另一點(diǎn)心得是,在分析實(shí)驗中要務(wù)必扎實(shí)全面,就常有意外收獲.

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