PWM控制器UC2637 的工作方式及应用

　　摘要：现代电机控制技术日新月异，发展很快.在从事研制开发的多个型号课题中应用了直流电动舵机，而其部分直流电机控制方式又多采用脉冲调宽方式，对电动舵机脉冲调宽驱动芯片UC2637工作方式中的几种情况给予讨论，希望对其能够灵活运用，并可推广到其他的使用情况中去.

　　0 概述

　　直流电机或直流舵机在许多领域中都得到广泛应用.而在现代直流电机控制领域中，脉冲调宽驱动方式（PWM）得到越来越广泛的应用.在笔者所从事的某型号无人机伺服回路的研制中采用了美国Unitrode 公司推出的开关模式直流电机控制芯片UC2637.该芯片原理简单，使用方便，可靠性高.PWM波的工作频率设置在20 kHz左右.这种方式与线性功率放大电路及电平控制驱动方式（bang.bang）相比有许多优点：

　　首先，这种控制方式工作在开关状态，自身效率高，功耗小，在稳定工作时发热少.

　　其次，这种控制方式可以近似认为是一个比例环节，工作时线性度较好.

　　再次，由于这种控制方式在高频方波状态下工作，含有直流分量和各次谐波分量，使电机在谐波作用下做小振幅高频振动.可以有效清除电机死区，加快电机启动速度.且电机时间常数又远大于脉冲调宽方波的载波周期，所以电机在谐波作用下的高频振动振幅近似为零.

　　1 脉冲调宽驱动芯片UC2637 工作原理简述

　　1.1 UC2637组成

　　控制器UC2637 基本上由4 只输入分压电阻.2 个比较器，1 个三角波发生器.控制逻辑组成.如图1所示.

　　1.2 PWM控制电路工作原理

　　如图2所示，三角波发生器产生出一个线形度很高的三角波送至比较器A的负端和比较器B的正端（为分析方便假设其峰.峰值为±5 V）.假设初始状态时500 Ω关于输入电压上下对称的，每个比较器输出占空比为50%的方波，如图2（a）所示.

　　当输入电压上升到为2.5 V时，使得1/4的三角波高于输入电压，3/4的三角波低于输入电压，比较器A就将产生占空比75%的方波，B 将产生占空比25%的方波，如图2（b）所示.反之，当输入电压下降至-2.5 V时，比较器A 就将产生占空比25%的方波，B 将产生占空比75%的方波.当电路接上500 Ω电阻以后，输入电压从比较器上来看是经过轻微矫正过的，比较器A上输入电压比实际稍低，比较器B上输入电压比实际稍高.使得A.B输出方波的占空比比原来均稍小，简单来说就是为所有的管子提供了死区，并且总的死区时间是不变的（见图3）.这样，就产生了两组方波去控制驱动级H桥电路.

　　1.3 H桥工作原理

　　如图4所示，H桥由2只N沟道MOSFET和两只P沟道MOSFET组成.其中，1#和4#开关管同时导通时2#和3#开关管同时关断，这样电流经电源流过1# MOSFET,电机，4# MOSFET到地，电机实现正转；反之，2#和3#开关管同时导通时1#和4#开关管同时关断，这样电流经电源流过2# MOSFET,电机，3# MOSFET 到地，电机实现反转.当PWM 方波处于死区时，4 只开关管同时关断，电机此时完成正反转切换.

　　综上所述，PWM控制方式就是用一组频率一定（一般为几十kHz到几百kHz不等）占空比可调的方波控制直流电机正反转.

　　2 脉冲调宽驱动方式几种形式及应用

　　笔者在PWM控制电路多次调试过程中，发现了一个较为有趣的现象.如前图3所示，比较器A.B的输入电压同原输入电压相比均有微小变化，使得比较器A.B的输出方波占空比比原来均稍小，简单来说就是为所有的管子提供了死区.这样做的好处是为了H 桥电路的MOSFET不至于在正反转切换的过程中上下直通，形成短路（这在PWM 电路中是务必要注意的）.一般情况下，多将死区的时间设置为恰好不使MOSFET上下直通或稍长.为满足伺服系统所提要求，在实验中曾经多次调整死区时间，发现死区时间长短不同对PWM 控制性能有较大影响.现将其对控制性能的影响分析如下：

　　首先假设控制输入电压为Ui,三角波周期为T,峰值为±5 V.

　　2.1 占空比各占45%左右的情况

　　占空比各占45%左右的情况工作如图3所示，是为常用的一种控制方式.设置这种工作方式的方法如图1中所示，将输入端的4只分压电阻参数如图设置即可.则：

　　分析其工作常态即输入电压为0 V 时的情况.此时，由上述计算公式可算得比较器A.B输出方波占空比各为45%左右，参照图4可知1#,4# MOSFET导通时间为45%×T;2#,3# MOSFET导通时间同样为45%× T.这样，作用在电机两端的正反向电压平均值相等，电机静止.当输入电压大于0 V 时比较器A 输出占空比加大而比较器B输出占空比减小，作用在电机上平均电压为正，电机正转；反之，则反转.

　　通过分析及实验发现这种工作情况的显着优点是：

　　当控制电路输入电压为0 V时，电机在谐波作用下做振幅极小的高频振动.可以有效清除电机死区，加快电机启动速度.

　　但同时发现其也有显着缺点：电机在停转时，依然有功率密度较高的电压作用其上，若电机内阻稍大，经过长时间工作，在停转时电机也明显发热，升温较快，产生大量无用功.于是为解决这个问题，经反复分析实验，找到下面的方法.

　　2.2 占空比各占15%左右的情况设置这种工作方式的方法如前图1中所示，将输入端的2 只500 Ω分压电阻参数重新设置为5 kΩ即可.

　　这种工作情况如图5所示.

　　同样分析其工作常态即输入电压为0 V 时的情况.此时，由上述计算公式可算得比较器A.B输出占空比各为15%左右，这样，作用在电机两端的正反向电压平均值同样相等，电机静止.

　　但这种工作方式同前一种不同之处在于：电机停转时，作用在电机上电压为一系列脉冲电压.于是，在稳态时电机发热明显减小，PWM 电压所做无用功减小.但高频方波清除电机死区，加快电机启动速度的功能却明显减弱了.

　　由上述分析可知，种控制方式适用于电机内阻较小，控制线形度要求极高的情况.第二种控制方式适用于电机内阻较大，控制线形度要求不高的的情况.但在有些时候还需要利用电机的死区工作方式，同样通过设置图1中输入端的分压电阻即可.

　　2.3 死区工作方式

　　设置这种工作方式的方法如前图1中所示，将输入端的2 只500 Ω分压电阻参数重新设置为13 kΩ即可.

　　这种工作情况如图6所示.

　　同样分析其工作常态即输入电压为0 V时的情况.

　　这时两比较器输入电压均高于三角波电压，两比较器输出同时为低，无电压作用于电机两端，电机停转.当输入电压微小变化时（无论正负），只要仍使两比较器输入电压高于三角波电压，电机仍然停转（见图6（a））.这样就实现了死区控制，即输入电压在0 值附近一定区间变化，而被控对象不响应.此死区大小可通过调整图1中4只分压电阻确定.

　　当输入电压变化超过死区范围后，A或B比较器中的一个开始工作，此时作用在电机上的是一串单边方波，电机开始转动.

　　3 结语

　　通过上述分析讨论，发现在PWM 控制芯片中用于防止H桥上下直通的设置死区的分压电阻可灵活运用，产生不同的控制方式.此方法可推广到其他PWM控制电路，具体采用那种方式则需视被控对象或控制要求不同而定.同时通过此次工作另一点心得是，在分析实验中要务必扎实全面，就常有意外收获.