一种电动舵机模拟控制器设计

龙海峰 张巍 何雨昂 曹英健

摘要

本文介绍了一種电动舵机模拟控制器的原理、功能组成以及小型化设计方法，分析了控制电路和驱动电路结构，该模拟控制器具备良好的性能和较高的可靠性，探讨了模拟控制器在电动伺服控制领域的应用前景。

【关键词】电动舵机 控制器 电动伺服

1 概述

目前，在中小功率电动舵机控制器产品中，模拟控制器以其自身的优点在市场竞争中占有一席之地，研制一种体积小、成本低、可靠性和可维护性好的电动舵机模拟控制器具有极高的实用价值。本文介绍的电动舵机模拟控制器具有以下特点：

（1）采用以电机控制专用集成电路MC33035和集成运算放大器MC33179为核心的模拟控制电路，在满足系统要求的情况下，大幅降低了设计成本和电路复杂程度，又节省了空间。

（2）采用P型和N型MOSFET相结合的H桥驱动模式，在保证可靠驱动的基础上节省了光电耦合器及其相应的电源变换电路，这使得控制器所占用的空间进一步减小。

（3）模拟控制电路采用集成贴片元件，有效地减小了电动舵机控制器的重量和安装体积。

2 模拟控制器原理及设计

2.1 控制原理

为了提高电动舵机的可靠性和响应性能，舵机控制电路通过一个精密反馈电位计构成闭环控制。控制器接受上级控制系统指令电压信号Ur，舵摆角位置与电位计输出的电压信号Uf成正比，经过运算放大器的算法电路形成一比较电平，以此作为指令信号送入MC33035，该芯片输出一定占空比的PWM信号，控制功率电路中MOSFET的导通和关断，从而实现对舵机的闭环控制。电动舵机模拟控制器的控制原理如图1所示。

2.2 算法控制电路设计

指令信号与反馈信号通过运算放大器求和后进行比例放大运算。具体实现电路如图2所示。

PWM控制芯片MC33035要根据ERA+管脚指令电压信号的大小来控制PWM波的占空比，指令电压信号必须为正值;根据FWD/RV管脚的电压信号来确定电机的正反转方向，高电平时电机正转，低电平时电机反转。因此，在控制算法电路中设计了相应的绝对值电路和符号电路，使MC33035芯片能够按照指令产生PWM波形，控制电机的运行。为了有效减小控制算法电路硬件所占用的空间，选用了四个运算放大器集成于一体的芯片MC33179。

2.3 PWM控制电路设计

MC33035是专门针对电机控制而设计的专用集成电路，内含误差放大器、三角波放大器、脉宽调制器、输出驱动门、限流电路、欠压封锁电路等。MC33035共可输出六路PWM信号，本系统采用其中的四路。控制芯片通过运算放大器的模拟电压输出与三角波相比较，从而产生一定占空比的PWM波，其占空比大小与指令电压成正比，伺服电机的方向控制通过FWD/RV管脚来实现。

2.4 功率电路设计

功率器件是模拟控制器中的关键器件之一，也是整个控制系统中容易损坏的元器件。在此选用IR公司的MOSFET，由IRF4905和IRFZ48N组成H桥电路，通过加入C型缓冲电路，可用于吸收浪涌电压。由MOSFET组成的H桥电路如图3所示。

3 小型化设计

为了尽可能减小模拟控制器的体积，在设计过程中采取以下措施：

（1）采用电机控制专用集成电路MC33035，可以输出六路占空比可调的 PWM控制信号。采用DSP或单片机的数字控制器外围电路复杂，设计成本相对较高，而且硬件电路占用空间较大。

（2）在模拟式控制器的控制算法电路中，需要四路运算放大器。在设计中选用四运放集成的MC33179，使硬件电路的空间得到了充分优化。

（3）采用P型和N型MOSFET构成的H桥驱动方式，减小了控制电路所占用的空间。

（4）模拟控制器中的绝大部分元器件都采用表帖式封装，在保证性能的前提下使空间减小到最低的限度。

4 试验结果

模拟控制器带舵机负载进行了跟随特性、幅频特性和相频特性测试，其指标满足系统要求，并且解决了以往控制器相角滞后过大的问题。

5 结论

采用该模拟控制器的电动舵机，工作性能良好，能够较好满足设计要求。与一般的数字式电动舵机控制器相比，所占用的空间体积小，设计和生产成本较低，且使用方便、可维护性好。模拟式电动舵机控制器通用性较强，可进一步扩展到其它伺服领域，应用前景良好。

参考文献

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