伺服电机驱动控制器

1、 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直流伺服电机 低惯量直流伺服电动机 直流力矩电动机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

2、“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，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电

3、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，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，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，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

4、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 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

5、、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

6、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：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 微调模块：微调电机速度 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。 MC33030伺服模块：MC33030是单片的直流伺服电机控制器。 桥：增加电路驱动能力，实现大功率输出。 过流保护模块：防

7、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-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PCB：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： 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

8、自举电路产生24V电源给H桥供电。 微调模块：微调电机速度 平衡模块 MC33030伺服模块 桥：增加电路驱动能力，实现大功率输出。 过流保护模块：防止过载烧毁电路系统框图如下所示：（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

9、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

10、，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

11、输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，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

12、电压跟随器，用于降低输出电阻。四只IN4007二极管用于选出四路中的最高输出电压。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

13、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 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

14、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最大值（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。 图4 所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与

15、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。如果DIRL信号为0，DIRR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DIRL信号变为1，而DIRR信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反

16、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

17、到最大值（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。 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、MC33030MC33030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，

18、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。五、焊接1.电路板焊接流程焊接微小器件（电阻、电容等）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焊接 IC焊接接插件。 电路焊接完毕，酒精浸泡 10 分钟左右，用刷子洗刷干净，晾 干。 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

19、、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。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。焊点

20、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。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：元件清单电阻等详尽列表：电阻1268110012001330168041k191.5k62.2k125.1k15.6k18.2k212k110k415k420k727k133k456k4100k1200k13.3m16.8m2滑动变阻器50k4LED红、黄、绿各一