一种带库仑摩擦力补偿的模拟直流电机驱动器设计
杨天锡， 王伟国， 刘廷霞
（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033）
摘要：为了用模拟电压控制直流电机，设计了一种模拟直流脉宽调制( pwm)电机功率放大器。为了补偿机电控制系统中常见的库仑摩擦力，利用加法电路从硬件上实现了库仑摩擦力补偿。试验表明，补偿效果良好，值得推进。
关键词：模拟直流电机驱动器；库仑摩擦力补偿；****值电路；三角波产生电路
中图分类号11、m 301. 2文献标志码：a文章编号：1673-6540(2020)07-0046-04
0 引 言
在某些直流电机控制场合，需要用模拟量去控制直流电机，这就需要有能够接受模拟量输入的直流功率放大器。国外有不少厂家提供模拟直流功率放大器产品，如美国copley公司的模数混合输入电机驱动器，以及美国公司推出的sa04、sa06等，但这些产品价格昂贵。在精度要求不高的电机拉制应用中，采用这些昂贵的国外产品会使系统成本急剧增加。本文利用廉价的分立元件，设计了一款低成本的模拟直流功率放大器。
在直流电机控制中，库仑摩擦力是影响控制系统精度的重要因素之一、如果采用数字控制，可以在软件中实现库仑摩擦力补偿；但如果采用模拟控制方式，则无法用软件实现库仑摩擦力补偿。本文利用加法电路，在硬件上实现了库仑摩擦力补偿。
1模拟直流脉宽调制电机驱动器整体设计
可以采用数字控制器和模拟电路两种方式设计模拟直流电机驱动器。第一种方法足采用带有a/d模块和脉宽调制(pwm)模块的数字信号处理器(dsp)或徽控制单元(mcu)，用a/d转换模块采集模拟控制电压，在程序里根据采集到的电压大小，利用pwm模块产生相应占空比的pwm波去控制h桥；第二种方法是用模拟电路直接产生pwm波去控制h桥。第一种方法思路简单，实现容易，但是dsp或mcu执行程序需要一段时间，存在软件延时，会有一定的相位滞后，影响控制系统的相角度；第一种方法由于全采用模拟器件，不存在稆位滞后，但实现方法比第一种复杂些。本文采用第二种方法。
模拟直流pwm电机功率放大器主要由精密****值电路、三角波产生电路、电机辨向电路、h桥功率放大电路等组成，如图1所示。精密****值电路把输入的模拟控制电压转换为正值；三角波电路产生25 khz正负对称的三角波；加法电路把三角波加上一个偏移量以实现电机库仑摩擦力补偿；电机辨向电路用来判断电机的转向，当模拟控制电压ui>0时，电机转向为顺时针，当模拟控制电压ui<0时，电机转向为逆时针；h桥功率放大电路把直流电源功率转换为直流电机功率。
2模拟pwm直流电机功率放大器具体实现
2.1精密****值电路
伺服控制器输出的模拟控制电压有正有负，精密****值电路把幅值范围为-10~+10 v的模拟控制电压强转换到0~10 v范围内，然后把转换后的非负电压虬送人电压比较器一端，与三角波比较产生pwm波。本文采用两个运算放大器组成****值电路，如图2所示。
根据理想运算放大器虚短和虚断的特点，考虑到二极管导通压降及运算放大器死区，可以推出式(1):
综合等效死区压降。从式(1)可以看出．在选择二极管时，其正向导通压降越小越好，d1和d2的特性要一样；同时，二极管两端必须能够承受15v电压。运算放大器采用slew rate大的高速运算（例如tl082）。
2.2三角波产生电路和库仑摩擦力补偿电路
有很多种产生三角波的方法，例如用专门的三角波集成芯片icl8038或用555定时器产生三角波，但这些芯片都比较贵。在普通应用场合中，用迟滞比较器+积分器的方式产生三角波最为简单，调试也容易，如图3所示。
三角波幅值为
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