摘要：現(xiàn)代電機控制技術日新月異，發(fā)展很快.在從事研制開發(fā)的多個型號課題中應用了直流電動舵機，而其核心部分直流電機控制方式又多采用脈沖調寬方式，對電動舵機脈沖調寬驅動芯片UC2637工作方式中的幾種情況給予討論，希望對其能夠靈活運用，并可推廣到其他的使用情況中去.

　　0 概述

　　直流電機或直流舵機在許多領域中都得到廣泛應用.而在現(xiàn)代直流電機控制領域中，脈沖調寬驅動方式（PWM）得到越來越廣泛的應用.在筆者所從事的某型號無人機伺服回路的研制中采用了美國Unitrode 公司推出的開關模式直流電機控制芯片UC2637.該芯片原理簡單，使用方便，可靠性高.PWM波的工作頻率設置在20 kHz左右.這種方式與線性功率放大電路及電平控制驅動方式（bang.bang）相比有許多優(yōu)點：

　　首先，這種控制方式工作在開關狀態(tài)，自身效率高，功耗小，在穩(wěn)定工作時發(fā)熱少.

　　其次，這種控制方式可以近似認為是一個比例環(huán)節(jié)，工作時線性度較好.

　　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，使電機在諧波作用下做小振幅高頻振動.可以**清除電機死區(qū)，加快電機啟動速度.且電機時間常數(shù)又遠大于脈沖調寬方波的載波周期，所以電機在諧波作用下的高頻振動振幅近似為零.

　　1 脈沖調寬驅動芯片UC2637 工作原理簡述

　　1.1 UC2637組成

　　控制器UC2637 基本上由4 只輸入分壓電阻.2 個比較器，1 個三角波發(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)生出一個線形度很高的三角波送至比較器A的負端和比較器B的正端（為分析方便假設其峰.峰值為±5 V）.假設初始狀態(tài)時500 Ω關于輸入電壓上下對稱的，每個比較器輸出占空比為50%的方波，如圖2（a）所示.

    當輸入電壓上升到為2.5 V時，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，當輸入電壓下降至-2.5 V時，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上輸入電壓比實際稍低，比較器B上輸入電壓比實際稍高.使得A.B輸出方波的占空比比原來均稍小，簡單來說就是為所有的管子提供了死區(qū)，并且總的死區(qū)時間是不變的（見圖3）.這樣，就產(chǎn)生了兩組方波去控制驅動級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#開關管同時導通時2#和3#開關管同時關斷，這樣電流經(jīng)電源流過1# MOSFET,電機，4# MOSFET到地，電機實現(xiàn)正轉；反之，2#和3#開關管同時導通時1#和4#開關管同時關斷，這樣電流經(jīng)電源流過2# MOSFET,電機，3# MOSFET 到地，電機實現(xiàn)反轉.當PWM 方波處于死區(qū)時，4 只開關管同時關斷，電機此時完成正反轉切換.

    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）占空比可調的方波控制直流電機正反轉.

    2 脈沖調寬驅動方式幾種形式及應用

　　筆者在PWM控制電路多次調試過程中，發(fā)現(xiàn)了一個較為有趣的現(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不至于在正反轉切換的過程中上下直通，形成短路（這在PWM 電路中是務必要注意的）.一般情況下，多將死區(qū)的時間設置為恰好不使MOSFET上下直通或稍長.為滿足伺服系統(tǒng)所提要求，在實驗中曾經(jīng)多次調整死區(qū)時間，發(fā)現(xiàn)死區(qū)時間長短不同對PWM 控制性能有較大影響.現(xiàn)將其對控制性能的影響分析如下：

　　首先假設控制輸入電壓為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)如圖設置即可.則：

    分析其工作常態(tài)即輸入電壓為0 V 時的情況.此時，由上述計算公式可算得比較器A.B輸出方波占空比各為45%左右，參照圖4可知1#,4# MOSFET導通時間為45%×T;2#,3# MOSFET導通時間同樣為45%× T.這樣，作用在電機兩端的正反向電壓平均值相等，電機靜止.當輸入電壓大于0 V 時比較器A 輸出占空比加大而比較器B輸出占空比減小，作用在電機上平均電壓為正，電機正轉；反之，則反轉.

　　通過分析及實驗發(fā)現(xiàn)這種工作情況的顯著優(yōu)點是：

　　當控制電路輸入電壓為0 V時，電機在諧波作用下做振幅極小的高頻振動.可以**清除電機死區(qū)，加快電機啟動速度.

　　但同時發(fā)現(xiàn)其也有顯著缺點：電機在停轉時，依然有功率密度較高的電壓作用其上，若電機內阻稍大，經(jīng)過長時間工作，在停轉時電機也明顯發(fā)熱，升溫較快，產(chǎn)生大量無用功.于是為解決這個問題，經(jīng)反復分析實驗，找到下面的方法.

　　2.2 占空比各占15%左右的情況設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 時的情況.此時，由上述計算公式可算得比較器A.B輸出占空比各為15%左右，這樣，作用在電機兩端的正反向電壓平均值同樣相等，電機靜止.

　　但這種工作方式同前一種*大不同之處在于：電機停轉時，作用在電機上電壓為一系列脈沖電壓.于是，在穩(wěn)態(tài)時電機發(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死區(qū)，加快電機啟動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內阻較小，控制線形度要求極高的情況.第二種控制方式適用于電機內阻較大，控制線形度要求不高的的情況.但在有些時候還需要利用電機的死區(qū)工作方式，同樣通過設置圖1中輸入端的分壓電阻即可.

　　2.3 死區(qū)工作方式

　　設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時的情況.

　　這時兩比較器輸入電壓均高于三角波電壓，兩比較器輸出同時為低，無電壓作用于電機兩端，電機停轉.當輸入電壓微小變化時（無論正負），只要仍使兩比較器輸入電壓高于三角波電壓，電機仍然停轉（見圖6（a））.這樣就實現(xiàn)了死區(qū)控制，即輸入電壓在0 值附近一定區(qū)間變化，而被控對象不響應.此死區(qū)大小可通過調整圖1中4只分壓電阻確定.

　　當輸入電壓變化超過死區(qū)范圍后，A或B比較器中的一個開始工作，此時作用在電機上的是一串單邊方波，電機開始轉動.

　　3 結語

　　通過上述分析討論，發(fā)現(xiàn)在PWM 控制芯片中用于防止H橋上下直通的設置死區(qū)的分壓電阻可靈活運用，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象或控制要求不同而定.同時通過此次工作另一點心得是，在分析實驗中要務必扎實全面，就常有意外收獲.