一種帶庫侖摩擦力補償的模擬直流電機驅動器設計
楊天錫， 王偉國， 劉廷霞
（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033）
摘要：為了用模擬電壓控制直流電機，設計了一種模擬直流脈寬調制( pwm)電機功率放大器。為了補償機電控制系統中常見的庫侖摩擦力，利用加法電路從硬件上實現了庫侖摩擦力補償。試驗表明，補償效果良好，值得推進。
關鍵詞：模擬直流電機驅動器；庫侖摩擦力補償；****值電路；三角波產生電路
中圖分類號11、m 301. 2文獻標志碼：a文章編號：1673-6540(2020)07-0046-04
0 引 言
在某些直流電機控制場合，需要用模擬量去控制直流電機，這就需要有能夠接受模擬量輸入的直流功率放大器。國外有不少廠家提供模擬直流功率放大器產品，如美國copley公司的模數混合輸入電機驅動器，以及美國公司推出的sa04、sa06等，但這些產品價格昂貴。在精度要求不高的電機拉制應用中，采用這些昂貴的國外產品會使系統成本急劇增加。本文利用廉價的分立元件，設計了一款低成本的模擬直流功率放大器。
在直流電機控制中，庫侖摩擦力是影響控制系統精度的重要因素之一、如果采用數字控制，可以在軟件中實現庫侖摩擦力補償；但如果采用模擬控制方式，則無法用軟件實現庫侖摩擦力補償。本文利用加法電路，在硬件上實現了庫侖摩擦力補償。
1模擬直流脈寬調制電機驅動器整體設計
可以采用數字控制器和模擬電路兩種方式設計模擬直流電機驅動器。第一種方法足采用帶有a/d模塊和脈寬調制(pwm)模塊的數字信號處理器(dsp)或徽控制單元(mcu)，用a/d轉換模塊采集模擬控制電壓，在程序里根據采集到的電壓大小，利用pwm模塊產生相應占空比的pwm波去控制h橋；第二種方法是用模擬電路直接產生pwm波去控制h橋。第一種方法思路簡單，實現容易，但是dsp或mcu執行程序需要一段時間，存在軟件延時，會有一定的相位滯后，影響控制系統的相角度；第一種方法由于全采用模擬器件，不存在稆位滯后，但實現方法比第一種復雜些。本文采用第二種方法。
模擬直流pwm電機功率放大器主要由精密****值電路、三角波產生電路、電機辨向電路、h橋功率放大電路等組成，如圖1所示。精密****值電路把輸入的模擬控制電壓轉換為正值；三角波電路產生25 khz正負對稱的三角波；加法電路把三角波加上一個偏移量以實現電機庫侖摩擦力補償；電機辨向電路用來判斷電機的轉向，當模擬控制電壓ui>0時，電機轉向為順時針，當模擬控制電壓ui<0時，電機轉向為逆時針；h橋功率放大電路把直流電源功率轉換為直流電機功率。
2模擬pwm直流電機功率放大器具體實現
2.1精密****值電路
伺服控制器輸出的模擬控制電壓有正有負，精密****值電路把幅值范圍為-10~+10 v的模擬控制電壓強轉換到0~10 v范圍內，然后把轉換后的非負電壓虬送人電壓比較器一端，與三角波比較產生pwm波。本文采用兩個運算放大器組成****值電路，如圖2所示。
根據理想運算放大器虛短和虛斷的特點，考慮到二極管導通壓降及運算放大器死區，可以推出式(1):
綜合等效死區壓降。從式(1)可以看出．在選擇二極管時，其正向導通壓降越小越好，d1和d2的特性要一樣；同時，二極管兩端必須能夠承受15v電壓。運算放大器采用slew rate大的高速運算（例如tl082）。
2.2三角波產生電路和庫侖摩擦力補償電路
有很多種產生三角波的方法，例如用專門的三角波集成芯片icl8038或用555定時器產生三角波，但這些芯片都比較貴。在普通應用場合中，用遲滯比較器+積分器的方式產生三角波最為簡單，調試也容易，如圖3所示。
三角波幅值為
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