一种带库仑摩擦力补偿的模拟直流电机驱动器设计

杨天锡，王伟国，刘廷霞

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033)

0 引言

在某些直流电机控制场合，需要用模拟量去控制直流电机，这就需要有能够接受模拟量输入的直流功率放大器。国外有不少厂家提供模拟直流功率放大器产品，如美国Copley公司的模数混合输入电机驱动器，以及美国APEX公司推出的SA04、SA06等[1]，但这些产品价格昂贵。在精度要求不高的电机控制应用中，采用这些昂贵的国外产品会使系统成本急剧增加。本文利用廉价的分立元件，设计了一款低成本的模拟直流功率放大器。

在直流电机控制中，库仑摩擦力是影响控制系统精度的重要因素之一[2]，如果采用数字控制，可以在软件中实现库仑摩擦力补偿;但如果采用模拟控制方式，则无法用软件实现库仑摩擦力补偿。本文利用加法电路，在硬件上实现了库仑摩擦力补偿。

1 模拟直流脉宽调制电机驱动器整体设计

可以采用数字控制器和模拟电路两种方式设计模拟直流电机驱动器。第一种方法是采用带有A/D模块和脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)模块的数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)或微控制单元(Micro Control Unit，MCU)，用A/D转换模块采集模拟控制电压，在程序里根据采集到的电压大小，利用PWM模块产生相应占空比的PWM波去控制H桥;第二种方法是用模拟电路直接产生PWM波去控制H桥。第一种方法思路简单，实现容易，但是 DSP或MCU执行程序需要一段时间，存在软件延时，会有一定的相位滞后，影响控制系统的相角裕度;第二种方法由于全采用模拟器件，不存在相位滞后，但实现方法比第一种复杂些。本文采用第二种方法。

模拟直流PWM电机功率放大器主要由精密绝对值电路[3]、三角波产生电路、电机辨向电路、H桥功率放大电路等组成，如图1所示。精密绝对值电路把输入的模拟控制电压转换为正值;三角波电路产生25 kHz正负对称的三角波;加法电路把三角波加上一个偏移量以实现电机库仑摩擦力补偿;电机辨向电路用来判断电机的转向，当模拟控制电压ui>0时，电机转向为顺时针，当模拟控制电压ui<0时，电机转向为逆时针;H桥功率放大电路把直流电源功率转换为直流电机功率。

图1 模拟直流电机功驱动器整体结构图

2 模拟PWM直流电机功率放大器具体实现

2.1 精密绝对值电路

伺服控制器输出的模拟控制电压ui有正有负，精密绝对值电路把幅值范围为－10～+10 V的模拟控制电压ui转换到0～10 V范围内，然后把转换后的非负电压uo送入电压比较器一端，与三角波比较产生PWM波。本文采用两个运算放大器组成绝对值电路，如图2所示。

根据理想运算放大器“虚短”和“虚断”的特点，考虑到二极管导通压降及运算放大器死区，可以推出式(1):

式(1)中，Δu(Δu>0)为二极管和运算放大器的综合等效死区压降。从式(1)可以看出，在选择二极管时，其正向导通压降越小越好，D1和D2的特性要一样;同时，二极管两端必须能够承受15 V电压。运算放大器采用Slew Rate大的高速运算(例如TL082)。

图2 精密绝对值电路

2.2 三角波产生电路和库仑摩擦力补偿电路

有很多种产生三角波[4-5]的方法，例如用专门的三角波集成芯片ICL8038或用555定时器产生三角波，但这些芯片都比较贵。在普通应用场合中，用迟滞比较器+积分器的方式产生三角波最为简单，调试也容易，如图3所示。图3中，方波幅值uo1=±uz(uz=5 V)，三角波幅值为

图3 三角波产生电路

Rw1用来微调三角波的幅值。三角波的频率为

Rw1、Rw2用来微调三角波的频率。图3产生的三角波幅值约为±5 V，频率约为25 kHz。图3中各个电阻采用精密电阻，电容采用高稳定性的瓷片电容。

理想情况下，把图3得到的三角波uΔ加上一个+5 V电压，得到幅值范围在0～10 V的三角波uref，把绝对值电路的输出uo和uref比较产生方波urec(幅值不在TTL电平范围内)，再通过模数转换接口，得到TTL电平的PWM波uPWM。考虑到库仑摩擦力普遍存在于机电控制系统中，假设库仑摩擦力等效的电压为uf，则当0

调节 Rw3就可以调节库仑摩擦力补偿的程度，－2.5 V≤uref≤2.5 V。

图4 库仑摩擦力补偿电路

2.3 模数接口电路和电机辨向电路

比较器的输出是方波，但方波幅值不在TTL电平之内。为了与数字PWM功率放大模块连接，必须有模数转换接口电路，采用一个普通三极管即可完成模数转换，如图5所示。

电机辨向电路由电压比较器和模数接口电路组成，如图6所示。PWM波产生电路和电机辨向电路都用到了电压比较器，采用的电压比较器灵敏度越高越好。为了防止电机在零位附近频繁换向，方向信号应该用Schmidt触发器进行整形[6]。

图5 模数接口电路

图6 电机辨向电路

2.4 H桥功率转换电路

从上文分析可知，从模拟控制电压ui得到两个数字信号:数字PWM波upwm和电机方向信号ud，用这两个信号去驱动智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)L6203(H 桥集成芯片)，辅以少量的外围数字电路，就构成了一个模拟直流电机功率放大器。TTL数字电路和L6203之间用高速光耦进行隔离。L6203外围数字电路设计比较简单，本文不作赘述。

3 试验结果

根据上面的思路进行设计，在制印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)时，合理处理好数字电路和模拟电路的电磁兼容性(主要是防止数字电路干扰模拟电路)，根据具体要求调节三角波频率、三角波幅值、库仑摩擦力补偿电压。图7为电机辨向电路的输入输出波形。图8为绝对值电路的输入输出波形，Δu为绝对值电路的死区，约为几十mV，如前所述，Δu的大小与绝对值电路所用的二极管和运算放大器有关。图9为三角波加上库仑摩擦力补偿电压后产生PWM的波形图。图10(a)是输入为0，没有库仑摩擦力补偿的情况;图10(b)是输入为0，有库仑摩擦力补偿的情况。由图10可知，加上库仑摩擦力补偿电压后，当输入为0时，输出也有PWM波，用来克服库仑摩擦力死区，补偿电压uf越大，PWM占空比越高。

图7 辨向电路输出波形

图8 绝对值电路输出波形

图9 比较器产生PWM波

4 结语

利用廉价分立元件设计了一种模拟直流电机驱动器，它能够进行库仑摩擦力补偿，具有较高的性价比，可以用在需要模拟电压控制直流电机的应用场合中。

[1]Apex Microtechnology Corporation.Volume 11 Power Integrated Circuits Data Book[G].2007.

[2]胡寿松.自动控制原理[M].4版.北京:科学出版社，2001.

[3]John D Lenk.电路百科和故障查寻指南(第一卷)[M].吕洪国，南利平译.北京:电子工业出版社，2001.

[4]康华光，陈大钦.电子技术基础 (模拟部分)[M].4版.北京:北京高等教育出版社，1999.

[5]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].3版.北京:北京高等教育出版社，2001.

[6]刘胜，彭侠夫，叶瑰昀.现代伺服系统设计[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2001.