L290/L291/L292三芯片直流电动机速度和位置伺服控制

L290/L291/L292三芯片直流电动机速度和位置伺服控制

L290/L291/L292    三种专用集成电路是SGS 公司为直流电动 机控制而设计的。它们与一台带光电编码器的微型直流伺服电动 机可组成一个由微处理器或微机(MCU)  控制的位置同服系统，见 图2-13。它们也可以单独使用，例如由L291、L292 构成一个直流 电动机速度控制系统。

1.L290  转速/电压转换器 L290 是16脚的塑料封装单片大 规模集成电路 (LSI),    它完成下列三个功能；

·F/V   变换器产生测速电压 ·基准电压发生器

·位置脉冲发生器

使用电源电压为±10～15V,  从光电编码器来的输入信号 FTA、FTB、FTF   的峰值为士7V。

对测速电压(TACHO)  的产生说明如下。光电编码器的输出 信号中，FTA   和 FTB 是两路正交的正弦信号，而FTF 是每转1 个脉冲的信号。FTA 和 FTB 由放大器N₁ 和 N₂ 放大后产生VAA   和VAB,经外接RC 网络微分，信号VMA和VMB与原信号间有相移， 且幅值与电动机转速成正比。它们分别送至两个乘法器的输入端。 两个乘法器的另一输入端分别为VAC₁ 和VAca,它们是由VAB和VAA  经比较器后得到的。两个乘法器输出在运算放大器N₃ 中求和前  获得测速信号 TACHO,  完成了F/V  变换器的功能。图2-14表示  了在正转和反转时各点波形。

L290 还 将STA 、STB 、STF  三个方波脉冲信号送给MCU。 STA  和STB  供位置跟踪用，STF   供系统初始化用，以确定绝对位 置的原点。

L290 还为L291 产生一个基准电压，此基准电压为 VREF=|VAAl+|VABl

由于测速电压也是由VAA和VRB产生的，因此系统有自补偿的位置伺服系统能使输入电平波动、温度变化和元器件老化对系统性能的影响 减小。

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 D/A转换器和误差放大器 L291 是16脚塑料封装 LSI 电路，主要组成部分是5bit 的D/A  转换器，还有误差放大器 和位置放大器。使用电源电压为±10～15V。

5bit 的 D/A  转换器接收从 MCU  来的二进制数码，参考电压 取自L290, 产生双极性输出电流，其极性由输入的SIGN 决定。最

大输出电流为

式中 IREF——-基准电流。

该D/A  转换器最大线性误差为±1/2 LSB,    即最大输出的 士1.6%。输入数码与输出电流I。的转换关系见表2-2。从MCU

来的速度指令信号经D/A  转换器转换为模拟量，再与从L290 来  的测速信号在误差放大器(速度调节器)比较，产生电动机的驱 动信号 ERRV, 送 至L292 。速度调节器的参数可由外接电阻整定， 为了得到良好的稳定性，速度调节器闭环增益应等于或大于 20dB 。用 7 脚 从MCU  接 收SIGN  信号来控制电动机的转向。

设置的位置放大器使位置增益可单独调整，并且由8脚的 STROBE  信号决定系统的工作方式。当此信号为低电平时，位置 放大器输出接至16脚，系统工作于位置闭环工作方式；若此信号 为高电平，则为位置开环方式，即仅速度闭环控制，此时16脚接 地 。

3.L292  开关式直流电动机驱动器 L292 是15脚塑封的智 能功率集成电路，其内部有一个功率跨导放大器，组成PWM  电 流环，向直流电动机提供双向的电枢电流与输入(6脚)的ERky信 号成正比。其特点是

· 使用单电源(18～36V)

· 驱动能力为2A、36V、1～30kHz     PWM

·两个逻辑使能端

·外接环路增益调节

·有过载保护和电源欠电压保护

L292设置有电流检测(由R₁g、R₁9用作电流检测电阻)和电 流调节器。反馈滤波器和电流调节器的参数可从外部调整，实现 电流闭环调节。内部设有电平移动电路，使电路在单电源下工作， 可实现电动机正反转运行。输出级为H 型桥式，为了避免两桥臂 出现同时导通的危险，实际上末级有两个比较器，构成窗口比较 器，接受控制电压和振荡器三角波信号，两个比较器输出的PWM   信号有一定的时延。该时延r 的大小由10脚外接电容器C₁7和内

部内阻的RC 乘积决定。如图2-13,C≈15nF,Rr≈1.5kQ,    则

t≈2.25μs 。 当使用多个L292 驱动多台直流电动机同步运行时，此 RC网络应有正确接法；以避免产生开关噪声及互调问题。

L292 还具有输出级封锁功能，利用12和13脚不同组合来封 锁输出。仅12脚为低电平、13脚为高电平时，系统才能正常工作， 其余组合状态均为封锁。

4.L290 、L291和 L292  组成的直流位置伺服系统  如图2-13 所示，在此位置伺服系统中，与直流伺服电动机共轴一台光电编码器输出在L290 产生测速反馈信号(4脚)和位置反馈信号(15 脚),送给L291, 并产生位移-方向信号，送给MCU 。MCU 运算 决定每个运动的最佳速度曲线，以合适的指令控制L291。在该系 统中，MCU 与 L290 、L291的连接线是10条I/0   线：7条输出和 3条输入。给L291 的是5bit 速度指令数码、SIGN  (设置转向)和 速度/位置工作方式选择信号STROBE,  从 L290 来的三条输入线 是STA 、STB 、STF。

为了跟踪电动机位置，MCU  以 STA 计数，测量实际的位移 量，并以STA 和STB 之间的相位关系来判别方向。常用方法是以 STA 作为中断输入，1个中断服务程序将STB 采样，由相位差决 定计数是加还是减。

对于每一个运动，MCU  计算出位移，确定正确方向。系统起动时，首先工作于位置开环(速度闭环)控制方式。MCU  向 L291  发出最高速度的指令码(若位移指令的距离很短，设定的速度可 能要低一些),电动机以最高允许峰值电流起动，使电动机加速至 设定转速。借助STA  中断服务程序，逐步接近目标。然后逐步减 小速度指令码，电动机制动。最后L291 进入位置闭环控制方式、 实现精确定位。图2-15给出此过程的转速和电流变化。

图2-15 两种工作方式下的转速与电流变化

图2-13所示系统使用的电动机参数是：额定电压为18V,  最 高工作电流为2A,  电枢电阻为5 .40,电感为5 .5mH, 空载转速 为3800r/min,    反 电动势系数为4.5mV/(r    /min)。光电编码器条 纹数为200。 PWM  频率为

表2-3给出这个实例的外接元件推荐值，并解释它们在系统 中的作用以及数值增大或减小时对系统性能的影响。

外接元件选择和对系统的影响

L292在直流电动机速度控制中的应用L292是单片功率

集成电路，其功能如同一个跨导放大器，H 桥输出负载电流与输 入端(6脚)的信号电压成正比。下面是在直流电动机速度控制中 应用的例子。

(1)直流电压控制的速度控制系统：该系统见图2-16,这里 用一台直流测速发电机(TG)  作速度反馈。它的电压常数是Kg。 输入的控制电压Vi 从电位器RP, 得到。由它的极性控制电动机转 向。在士10V 供电的误差放大器中，有下列关系：

它的输出V。作 为L292 输入，设Gm为 L292 的跨导率，典型值Gm=220mA/V,      即

由输入电压Vi 与电动机负载电流I 的关系可得到

系统的转速n 与负载电流I 关系为

如果控制指令电压V;恒定，负载电流变化量△I引起转速的变化为△n,   于是有

从该电路控制特性图(见图2-17)可以看出，有控制死区的 存在。曲线1表示轻载200mA,  曲 线 2 表 示 1A 时的输入电压V    与转速nM的关系图，死区的大小随电流增加而增大。从上式可见， 在这个有差调节系统中，增大增益(如增大R₃), 有利于减小死区， 减小负载对转速的影响。

另一个改进的方案是将电流反馈信号以误差放大器求和点引 入，增加一个电流反馈环。此方案见图2-18。L292  电路中，与电 动机平均电流成正比的电流在5脚和7脚之间的外电路流过，如 图2-18所示，从5100电阻上采样经一运算放大器放大调节后，送至误差放大器的2脚。反馈系数由电位器 RP₂ 整定。适当调节 RP₂,  可抑制负载电流对转速的影响。从图2-19可见，该电路的 控制特性在2A 电流内都是一条通过原点的直线。

(2)由L291 、L292 组成的数字控制的速度系统：该系统电路 图见图2-20。在这个例子里，数字速度指令是二进制数码，从L291 输入。测速发电机输出电压从12脚输入，N₁ 为误差放大器。由7 脚逻辑电平决定电动机转向。利用L291 内部放大器N₂ 引入电流 反馈。与上例稍有不同，由于N₂ 只有反相输入端可以使用，故电 路稍为复杂一点。电流反馈信号从电位器RP, 滑动触头取得。调 整方法是这样的，让给定零速数码 (b₁~bs 均为1)输入，调节电 位器RP,    使电动机转速为零。

6.L292  驱动功率的扩大 L292  PWM驱动器最大驱动能力 为36V 、2A, 可用于约60W以下低压直流电动机的控制。在机器 人、机床进给系统等大功率系统中应用时，可外接较大功率的晶 体管，以扩展其驱动功率。

对于电压为36V 以下，仅扩大驱动电流到4A 的电路，见图 2-21。表2-4给出要求输出电流为4、6、8A 时，应选择的功率晶 体管和续流二极管、取样电阻 (R₇ 、Rg)      的 推 荐 数 据 。

另一个功率扩展的示例是图2-22所示的150V、50A 驱动能 力的电路。L292输出经两个变压器去控制外接H 桥电路，变压器的电压比为1:20。跨接在7脚与9脚之间的两个稳压二极管用 来限制变压器的占空比(15%～85%)。LS141 运算放大器向L292  提供电流反馈。两个电流取样电阻是R、R₃₂ 。 电动机负载电流I  与6脚输入电压V 的关系是

这里，R,=R=R₂₂=12×10-³Ω 。 当 R 的值是390～8600变化时， 该电路的跨导率I/V,  是3.0～8.6A/V。

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