PWM控制器UC2637的工作方式及應(yīng)用

 

    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(gè)型號(hào)課題中應(yīng)用了直流電動(dòng)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(duì)電動(dòng)舵機(jī)脈沖調(diào)寬驅(qū)動(dòng)芯片UC2637工作方式中的幾種情況給予討論，希望對(duì)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(dòng)方式（PWM）得到越來越廣泛的應(yīng)用.在筆者所從事的某型號(hào)無人機(jī)伺服回路的研制中采用了美國(guó)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(jiǎn)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(dòng)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(shí)發(fā)熱少.

　　其次，這種控制方式可以近似認(rèn)為是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，工作時(shí)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(dòng).可以**清除電機(jī)死區(qū)，加快電機(jī)啟動(dòng)速度.且電機(jī)時(shí)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(dòng)振幅近似為零.

　　1 脈沖調(diào)寬驅(qū)動(dòng)芯片UC2637 工作原理簡(jiǎn)述

　　1.1 UC2637組成

　　控制器UC2637 基本上由4 只輸入分壓電阻.2 個(gè)比較器，1 個(gè)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(gè)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(shí)500 Ω關(guān)于輸入電壓上下對(duì)稱的，每個(gè)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(shí)，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(shí)，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(jiǎn)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(shí)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(dòng)級(jí)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(shí)導(dǎo)通時(shí)2#和3#開關(guān)管同時(shí)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(shí)導(dǎo)通時(shí)1#和4#開關(guān)管同時(shí)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(shí)，4 只開關(guān)管同時(shí)關(guān)斷，電機(jī)此時(shí)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(dòng)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(gè)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(jiǎn)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(shí)間設(shè)置為恰好不使MOSFET上下直通或稍長(zhǎng).為滿足伺服系統(tǒng)所提要求，在實(shí)驗(yàn)中曾經(jīng)多次調(diào)整死區(qū)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)短不同對(duì)PWM 控制性能有較大影響.現(xiàn)將其對(duì)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(shí)的情況.此時(shí)，由上述計(jì)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?qǐng)D4可知1#,4# MOSFET導(dǎo)通時(shí)間為45%×T;2#,3# MOSFET導(dǎo)通時(shí)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(shí)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(yàn)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(shí)，電機(jī)在諧波作用下做振幅極小的高頻振動(dòng).可以**清除電機(jī)死區(qū)，加快電機(jī)啟動(dòng)速度.

　　但同時(shí)發(fā)現(xiàn)其也有顯著缺點(diǎn)：電機(jī)在停轉(zhuǎn)時(shí)，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(zhǎng)時(shí)間工作，在停轉(zhuǎn)時(shí)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(gè)問題，經(jīng)反復(fù)分析實(shí)驗(yàn)，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(shí)的情況.此時(shí)，由上述計(jì)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(shí)，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(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)的情況.

　　這時(shí)兩比較器輸入電壓均高于三角波電壓，兩比較器輸出同時(shí)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(shí)（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(duì)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(gè)開始工作，此時(shí)作用在電機(jī)上的是一串單邊方波，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng).

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　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(duì)象或控制要求不同而定.同時(shí)通過此次工作另一點(diǎn)心得是，在分析實(shí)驗(yàn)中要?jiǎng)?wù)必扎實(shí)全面，就常有意外收獲.