伺服电机驱动控制器分解_中职中专_职业教育_教育专区。伺服电机驱动控制器分解

　　目录 一、 伺服驱动概述…………………………………………………………1 二、 本产品特性……………………………………………………………2 三、 电路原理图及PCB版图………………………………………………4 四、 电路功能模块分析……………………………………………………4 五、 焊接（附元件清单）…………………………………………………14 六、 编者设计体会…………………………………………………………16 0 1 一． 伺服驱动概述 1. 伺服电机的概念 伺服电机是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，作为一种执行元件， 把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出， 是一种补助马达间 接变速装置。伺服电机是可以连续旋转的电－机械转换器，直流伺服电机的输出 转速与输入电压成正比，并能实现正反向速度控制。 2.伺服电机分类 普通直流伺服电动机 低惯量直流伺服电动机 直流力矩电动机 直流伺服电机 { 3. 控制系统对伺服电动机的基本要求 宽广的调速范围 机械特性和调节特性均为线性 无“自转”现象 快速响应 控制功率小、重量轻、体积小等。 4. 直流伺服电机的基本特性 （1）机械特性 在输入的电枢电压 Ua 保持不变时，电机的转速 n 随电磁转矩 M 变化而变化的规律，称直流电机的机械特性 （2）调节特性 直流电机在一定的电磁转矩 M（或负载转矩）下电机的稳态转速 n 随电枢的控制电压 Ua 变化而变化的规律，被称为直流电机的调节特性 （3）动态特性 从原来的稳定状态到新的稳定状态，存在一个过渡过程，这就是 直流电机的动态特性 5. 直流伺服电机的驱动原理 伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到 1 个脉冲， 就会旋转 1 个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具发出脉 冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和 伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多 少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很的控制电机 的转动，从而实现的定位，可以达到 0.001mm 直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩 大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷） ，产生电磁干扰， 对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷直流伺 服电机电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，混合式步进电机转动平滑，力 矩稳定。容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。 电机免维护不存在碳刷损耗的情况，效率很高，运行温度低噪音小，电磁辐射很 小，长寿命，可用于各种环境 2 6.步进电机： 直流伺服电机,它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、 伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器,所述的转子铁芯由矽钢冲片叠 压固定在电机转轴上构成, 按电刷类型可分为有刷直流伺服电机和无刷直流伺 服电机；直流伺服电机的基本特性如下： 1、机械特性 在输入的电枢电压Ua保持不变时，电机的转速n随电磁转矩M变化而 变化的规律，称直流电机的机械特性。 2、调节特性 直流电机在一定的电磁转矩M（或负载转矩）下电机的稳态转速n 随电枢的控制电压Ua变化而变化的规律，被称为直流电机的调节特性。 3、动态特性 从原来的稳定状态到新的稳定状态，存在一个过渡过程，这就是直 流电机的动态特性。 二、本产品特性 此产品为直流电机驱动器，可控制电机的转速，分几个档位，旋动档位可设定 电机以不同的速度转动。此产品可用于带电机的机器的电机控制部分，具有很高 的性能。 产品基本特性如下： 本产品是基于 MC33030 直流伺服电机控制器/驱动器芯片的具有过流保护功能 的大功率高精度电机控制系统。该驱动电路输入 24V 直流电压，为 H 桥供电，提 供大电流驱动直流电机（MC33030 驱动能力较弱） ，经稳压后为芯片供电，并输 出 5v 直流电压，经档位控制分压后，作为基准，输入到 MC33030 主控芯片；该 电路带有微调模块，可以对基准电压进行微调；具有反馈功能，将反馈信号输入 MC33030，进行闭环控制；具有过流保护功能，防止电机损坏。 该产品由电源模块,主控芯片MC33030电路, H 驱动桥模块, 过流保护模块, 微调模块, 平衡模块组成。各模块作用如下： ①电源模块: 输入为21V 直流电， 输出12V， 5V 直流电， 并通过自举电路产生24V 电源给H 桥供电 ② 微调模块：微调电机速度 ③ 平衡模块：电路结构与微调电路相似。通过U5D 引入正反馈，输出接到微调 电路比较器的同相输入端。与S10共同影响U1A的输出。 ④ MC33030伺服模块：MC33030是单片的直流伺服电机控制器。 ⑤ Ｈ桥：增加电路驱动能力，实现大功率输出。 ⑥ 过流保护模块：防止过载烧毁电路 伺服电机驱动器特性 --使用MC33030伺服驱动芯片，可靠性高，带保护功能 --支持正传与反转控制，速度控制 --高输出功率，高电源转换效率 --抗干扰能力强，适用于各种复杂电磁环境 --21V 直流电源供电 3 --内部12V，5V 直流电电压调整和稳压，并通过自举电路产生24V 电源给H 桥供 电。 --微调电机速度 --过流保护, 防止过载烧毁电路 PCB板特性 --双面线路板 --工艺：FR-4喷锡板 --厚度：1.6mm --阻焊：绿色 应用 --汽车油门控 --直流电机驱动 三、电路原理图 4 PCB： 5 四、电路功能模块分析 （一）系统框图 该系统划分为以下几部分： ①电源模块：该电源模块的输入为21V 直流电，输出12V，5V 直流电，并通过自举电路产生 24V 电源给 H 桥供电。 ②微调模块：微调电机速度 ③平衡模块 ④MC33030伺服模块 ⑤Ｈ桥：增加电路驱动能力，实现大功率输出。 ⑥过流保护模块：防止过载烧毁电路 系统框图如下所示： 6 7 （二）各模块详细分析 1、电源电路： Q12 和 Q3 采用集成稳压器 7812 和 7805。用 78/79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的 外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且 价格便宜。该系列集成稳压 IC 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输 出电压。 C14，C3，C15，C10，C9，C8，C5，C4，C16 为滤波电容。D1,D13 为防反接保护二 极管，D34，D14 为防反灌二极管，Y 是电源指示灯。R32 用于分压，防止 7805 过热损坏。 MG11019 是达林顿复合管，用于过流保护，R1，R2，R3 构成电源电流取样电路，电源电流过 大会使 Q1 导通。ZR1，ZR2 时压敏电阻，用于过压保护，防止电路故障时损坏后级电路。 2、微调电路 该电路由四比较器 U1（LM339）和四运放 U2（LM2902）构成，待比较信号从 S10,S15,S16,S14 输入。 33K 和 15K 电阻构成分压电路， 用于衰减输入信号。 100pF 电容用于滤除噪声。八个 1N4148 二极管用于过压保护，防止输入电压高于电源 或低于地。 LM339 集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1） 失调电压小，典型值为 2mV；2）电源电压范围宽，单电源为 2-36V，双电源电压 为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为 0~ （Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出 端电位可灵活方便地选用。LM339 类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器 有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示， 另一个称为反相输入端，用 “-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端 加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择 LM339 输入共模范围的 任何一点） ，另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时， 输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和， 8 相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于 10mV 就能确保输出能从一种 状态可靠地转换到另一种状态，因此，把 LM339 用在弱信号检测等场合是比较理 想的。LM339 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出 端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选 3-15K） 。选不同阻值的上拉 电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压 基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使 用。 LM339 的反向输入端接固定电平，输出为集电极开路，接电位器以便调节输 出电压。 LM2902 是通用四运放。 构成电压跟随器， 用于降低输出电阻。 四只 IN7 二极管用于选出四路中的输出电压。 3、平衡电路 电路结构与微调电路相似。通过 U5D 引入正反馈，输出接到微调电路比较器 的同相输入端。与 S10 共同影响 U1A 的输出。平衡电路是于产生相同和相反信号 9 的电路， 它将这些信号送入两个导线。 电路的平衡特性越好， 信号的散射就越小， 它的噪声抑制特性也越好 (因此它的 EMC 性能就越好)。 4、H 桥电路 图 1 中所示为一个典型的直流电机控制电路。 电路得名于“H 桥驱动电路”是 因为它的形状酷似字母 H。4 个三极管组成 H 的 4 条垂直腿，而电机就是 H 中的 横杠（注意：图 1 及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三 极管的驱动电路没有画出来） 。 如图所示，H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机。要使电机运转，必 须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左 至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 图 1 H 桥驱动电路 10 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图 2 所示， 当 Q1 管和 Q4 管导通时，电流就从电源正极经 Q1 从左至右穿过电机，然后再经 Q4 回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。 当三极管 Q1 和 Q4 导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向 转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向） 。 图 2 H 桥电路驱动电机顺时针转动 图 3 所示为另一对三极管 Q2 和 Q3 导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三 极管 Q2 和 Q3 导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动 （电机周围的箭头表示为逆时针方向） 。 图 3 H 桥驱动电机逆时针转动 使能控制和方向逻辑 驱动电机时，保证 H 桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如 果三极管 Q1 和 Q2 同时导通， 那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。 此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到 大值（该电流仅受电源性能限制） ，甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱 动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。混合式步进电机 图 4 所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本 H 桥电路的基础上增 11 加了 4 个与门和 2 个非门。4 个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这 一个信号就能控制整个电路的开关。而 2 个非门通过提供一种方向输人，可以保 证任何时候在 H 桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。 （与本节前面的示意图 一样，图 4 所示也不是一个完整的电路图，特别是图中与门和三极管直接连接是 不能正常工作的。 ） 图 4 具有使能控制和方向逻辑的 H 桥电路 采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和 一个使能信号。混合式步进电机如果 DIR－L 信号为 0，DIR－R 信号为 1，并且使能信号是 1，那 么三极管 Q1 和 Q4 导通，电流从左至右流经电机（如图 5 所示） ；如果 DIR－L 信号变为 1， 而 DIR－R 信号变为 0， 那么 Q2 和 Q3 将导通， 电流则反向流过电机。 图 5 使能信号与方向信号的使用 这是一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H 桥驱动电路”是因为它 的形状酷似字母 H。4 个三极管组成 H 的 4 条垂直腿，而电机就是 H 中的横杠。H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线 上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至 左流过电机，从而控制电机的转向。 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。驱动电机时，保证 H 桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。 如果三极管 Q9 和 Q11 同时导通， 那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外 没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到值（该电流仅受电源性能 限制） ，甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路 12 方便地控制三极管的开关。 Q6，Q7，Q4，Q5 构成达林顿管的驱动电路，用于控制三极管的开关，防止上 下桥臂直通，造成功率管损坏。 5、过流保护 LM399 作为比较器使用，U4A 是普通比较器，用于延迟保护,C28 充电到 6V 时输出高电平。U4B 构成定时电路，用于过流保护后的恢复。电路输出接到 MC33030 的关断控制引脚。 6、MC33030 MC33030 是单片的直流伺服电机控制器。提供一个完整的闭环系统电路。包 括一个片上运算放大器和宽输入共模范围窗口比较器， 驱动和制动逻辑与方向逻 辑，H 桥驱动能力高达 1A，具有独立可编程的过电流监控，过电压监视器。非常 适合几乎所有的伺服应用。MC33030 具有以下功能。 ?片上反馈监测误差放大器 ?窗口探测器盲区和自我为中心 13 参考输入 ?驱动/制动逻辑记忆与方向 ?1.0 A 电源 H 型开关 ?可编程的过电流检测 ?可编程的过电流关断延迟 ?过压关断 MC33030 自带 H 桥电路，但驱动能力不足，所以外接由分立构成的 H 桥电路。 14 五、焊接 1.电路板焊接流程 ①焊接微小器件（电阻、电容等） ②焊接电源部分，并进行电源的调试，确保各组电源的正确无误 15 ③焊接 IC ④焊接接插件。 ⑤电路焊接完毕，酒精浸泡 10 分钟左右，用刷子洗刷干净，晾 干。 ⑥电路板的检查： A、元件有没有错焊、漏焊 。 B、元件的方向、极性是否正 确。 C、仔细检查是否有短路和虚焊。 （注：电路板检查应重复两三次。 ） 2.电路板焊接工艺要求 ①焊接表面必须保持清洁 即使是可焊性好的焊件，由于长期存储和污染等原因，焊件的表面可能产生 有害的氧化膜、 油污等。 所以， 在实施焊接前必须清洁表面， 否则难以保证质量。 ②焊接时温度、时间要适当，加热均匀 焊接时，将焊料和被焊金属加热到焊接温度，使熔化的焊料在被焊金属表面 浸湿扩散并形成金属化合物。 因此， 要保证焊点牢固， 一定要有适当的焊接温度。 在足够高的温度下，焊料才能充分浸湿，并充分扩散形成合金层。过高的温度是 不利于焊接的。焊接时间对焊锡、焊接元件的浸湿性、结合层形成都有很大的影 响。准确掌握焊接时间是优质焊接的关键。 ③焊点要有足够的机械强度 为了保证被焊件在受到振动或冲击时不至于脱落、松动，因此，要求焊点要 有足够的机械强度。为使焊点有足够的机械强度，一般可采用把被焊元器件的引 线端子打弯后再焊接的方法，但不能用过多的焊料堆积，这样容易造成虚焊和焊 点与焊点之间的短路。 ④焊接必须可靠，保证导电性能 为使焊点有良好的导电性能，必须防止虚焊。虚焊是指焊料与被焊物表面没 有形成合金结构，只是简单地依附在被焊金属的表面。在焊接时，如果只有一部 分形成合金，而其余部分没有形成合金，则这种焊点在短期内也能通过电流，用 仪表测量也很难发现问题。 但随着时间的推移， 没有形成合金的表面就要被氧化， 此时便会出现时通时断的现象，这势必造成产品的质量问题。 附：元件清单 16 电阻等详尽列表： 电阻 1 68 100 200 330 680 1k 1.5k 2.2k 5.1k 5.6k 8.2k 12k 10k 15k 20k 27k 33k 2 1 1 1 1 4 19 6 12 1 1 2 1 4 4 7 1 4 17 56k 100k 200k 3.3m 6.8m 滑动变阻器 50k LED 红、黄、绿 二极管 MC33030 LM2902 4 1 1 1 2 4 各一个 42 1 1 LM2901 3 六、编者设计体会 通过这次的综合课程设计我学习到了许多实用的东西，这些东西我在课本 上永远也学不到。其实我一直都明白实践是检验我们所学内容，并学以致用的唯 一途径，要想真正学得一技之长就必须学着自己动手做一些东西。通过这次的综 合课程设计， 我回顾了以前所学的模电知识， 发现虽然许多的基本原理自己都懂， 但真正做起东西来真的很难，无从下手，甚至现成的电路南来分析都很困难，这 是我们学习的通病，不联系实际，当遇到实际问题时却解决不了了。试想一个学 工程的不会解决实际问题这不可笑么。 我们应在学习基础知识的同时注重自己动 手能力的锻炼。 这次综合课程设计的实施过程中我遇到很多的问题，像 H 桥，MC33030 芯 片是我以前根本就没有接触过的，只能边学边做。开始觉得自己什么都不会有些 气馁，但我对自己说不能放弃，放弃不是我的风格，于是我继续坚持了下来。不 会的东西我就问以前参加过电子设计竞赛的人，他们懂得很多，从他们那里我获 得许多宝贵的知识，感谢他们。 画原理图之前我甚至都没怎么接触过这类软件，只是上学期课程设计的时 候用过 protel 99se 不过基本都忘记了，Altium Designer 没有接触过，用过之 后发现后者比前者方便了许多。我是从网上下载的视频教程一点一点从开始学 得。 这个设计中，用的大多是模电知识，当时学模电时我就一头雾水，似懂非 懂的样子，应用起来自然是不够的。为了弄好，我又复习了一遍模电，这样思路 清晰了许多。 总之，通过这次的综合课程设计我学到了很多，更懂得了动手能力对我们 的重要性，以后我要加强这方面的锻炼。 18
以上信息由无锡惠斯通电机科技有限公司整理编辑，了解更多步进电机,两相步进电机,混合式步进电机信息请访问http://www.huistong.com