伺服電機(jī)控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）</p><p>　　日期：2011 年 3 月至2011 年 6月 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　目錄I</b></p><p>　　第1章 緒論- 1 -</p><p&

2、gt;　　1.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)發(fā)展及現(xiàn)狀- 1 -</p><p>　　1.2直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用- 1 -</p><p>　　1.2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)- 1 -</p><p>　　1.2.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用- 2 -</p><p>　　1.3 課題主要研究內(nèi)容- 3 -</p><p&

3、gt;　　第2章 直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作過程- 4 -</p><p>　　2.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)基本組成- 4 -</p><p>　　2.1.1電動(dòng)機(jī)本體- 4 -</p><p>　　2.1.2 轉(zhuǎn)子位置傳感器- 5 -</p><p>　　2.1.3電子換向電路- 6 -</p><p>　　2.2

4、直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理- 7 -</p><p>　　2.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型- 8 -</p><p>　　2.3.1電壓平衡方程- 8 -</p><p>　　2.3.2轉(zhuǎn)矩方程- 9 -</p><p>　　2.3.3傳遞函數(shù)- 10 -</p><p>　　2.4 直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法

5、- 10 -</p><p>　　2.4.1電勢(shì)和調(diào)速方法- 10 -</p><p>　　2.4.2電磁轉(zhuǎn)矩- 11 -</p><p>　　2.5直流伺服電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)- 12 -</p><p>　　2.5.1雙閉環(huán)控制系統(tǒng)組成- 12 -</p><p>　　2.5.2雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型-

6、13 -</p><p>　　第3章 調(diào)速系統(tǒng)方案確定- 15 -</p><p>　　3.1無刷電機(jī)樣機(jī)參數(shù)- 15 -</p><p>　　3.2主控單元- 15 -</p><p>　　3.2.1 80C196MC單片機(jī)簡介- 15 -</p><p>　　3.2.2 80C196MC單片機(jī)的結(jié)構(gòu)-

7、15 -</p><p>　　3.2.2 80C196MC單片機(jī)的特點(diǎn)- 17 -</p><p>　　3.3 系統(tǒng)的組成- 18 -</p><p>　　第4章 基于單片機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)- 19 -</p><p>　　4.1 供電電源設(shè)計(jì)- 19 -</p><p>　　4.2 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)- 20

8、 -</p><p>　　4.2.1位置檢測(cè)- 20 -</p><p>　　4.2.2整形電路- 22 -</p><p>　　4.2.3 正反轉(zhuǎn)控制- 22 -</p><p>　　4.2.4電流檢測(cè)電路- 23 -</p><p>　　4.3 主功率和驅(qū)動(dòng)電路- 24 -</p><

9、p>　　4.3.1主功率電路- 24 -</p><p>　　4.3.2功率驅(qū)動(dòng)電路- 26 -</p><p>　　4.4 過流過壓保護(hù)電路- 29 -</p><p>　　4.4.1過流保護(hù)電路- 29 -</p><p>　　4.4.2過壓、欠壓保護(hù)電路- 30 -</p><p>　　4.5 鍵

10、盤與顯示電路- 30 -</p><p>　　4.5.1鍵盤電路- 30 -</p><p>　　4.5.2顯示電路- 31 -</p><p>　　第5章基于單片機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)- 33 -</p><p>　　5.1 程序設(shè)計(jì)思想- 33 -</p><p>　　5.2 主程序- 33 -<

11、/p><p>　　5.2.1 初始化程序- 34 -</p><p>　　5.2.2 鍵處理程序設(shè)計(jì)- 36 -</p><p>　　5.2.3 LED動(dòng)態(tài)顯示子程序- 37 -</p><p>　　5.3 捕捉中斷服務(wù)程序- 38 -</p><p>　　5.4 采樣中斷服務(wù)程序- 39 -</p>

12、<p>　　5.4.1轉(zhuǎn)速計(jì)算子程序- 40 -</p><p>　　5.4.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序- 40 -</p><p>　　5.4.3 波形發(fā)生控制程序- 42 -</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 45 -</p><p><b>　　致謝- 47 -</b></p><

13、;p>　　基于80C196MC單片機(jī)直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文主要論述三相直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。主控單元為伺服電機(jī)專用控制芯片80C196MC，輔以鍵盤、顯示器、檢測(cè)電路、功率電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等。直流伺服電機(jī)內(nèi)置3個(gè)霍爾傳感器，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，決定電機(jī)的換相，系統(tǒng)根據(jù)該信號(hào)計(jì)算電

14、機(jī)的轉(zhuǎn)速，用于實(shí)現(xiàn)速度反饋控制。</p><p>　　系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速由鍵盤輸入，并能實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速；功率芯片選用性能價(jià)格比較高的快速M(fèi)OSFET；功率驅(qū)動(dòng)選用帶保護(hù)電路和過流輸出的集成芯片IR2130，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高頻快速起動(dòng)；系統(tǒng)還設(shè)置了電流采樣電路，與速度反饋電路組成雙閉環(huán)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快速起動(dòng)并獲得良好的帶負(fù)載性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。</p><p>　　軟件方面根據(jù)直流伺服

15、電動(dòng)機(jī)的組成、脈寬調(diào)制和工作原理，結(jié)合80C196MC的硬件部分和軟件編程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了無刷直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件。系統(tǒng)軟件分為主程序和中斷程序兩大主塊，主程序完成系統(tǒng)的初始化， LED顯示器掃描和鍵盤功能處理程序等部分。</p><p>　　關(guān)鍵字：直流伺服電動(dòng)機(jī)；16位單片機(jī)；位置傳感器；閉環(huán)系統(tǒng)；MOSFET；功率驅(qū)動(dòng) </p><p>　　The designations of the

16、 BLDCM velocity modulation system based on the 80C196MC single chip microcomputer</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This article mainly discusses the designations of three-phase BLDC

17、M velocity modulation system. The master controlled unit is BLDCM special-purpose control chip 80C196MC, assistances with the keyboard, the monitor, examines the electric circuit, the power electric circuit, actuates the

18、 electric circuit, the protection circuit and so on. The BLDCM with 3 Hall sensors establishing inside, to exam the position of the rotor and decide the phase change of electrical machinery, the system calculates t</p

19、><p>　　The rotational speed of the system is offered by the keyboard entry, and the real-time rotational speed can be display; The power chip selects higher performance-to-price ratio and faster MOSFET; The pow

20、er actuation selects the integrated chip IR2130 with protection circuit and over-electric current output , which can realize the electrical machinery’s high-frequency and quick-starting; The system also has established

21、the electric current sampling electric circuit, with the velocity feedback el</p><p>　　Software is painted as a direct motor of the modulation, a wide and principle, the hardware and software 80c196mc progra

22、mming, design the system of the dc machinery velocity modulation. in software system software application programs, and the two great and complete system of the main program initialization, led display the functions of t

23、he processing procedures with the keyboard.</p><p>　　Keywords: Brushless DC Motor; 6bit Single-chip Microcomputer; Position sensors; Closed-loop system; MOSFET; Power actuation.</p><p><b>

24、;　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)發(fā)展及現(xiàn)狀</p><p>　　傳統(tǒng)直流電機(jī)采用機(jī)械機(jī)構(gòu)（電刷）進(jìn)行換向，因而存在機(jī)械摩擦，并由此帶來電磁噪聲、換向火花、以及壽命短等缺點(diǎn)，再加上制造成本高、維修困難，從而極大的限制了它的發(fā)展和應(yīng)用范圍。針對(duì)傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的弊病，早在20世紀(jì)30年代就有人開始研制以電子換向代替機(jī)械換向的直流無刷電動(dòng)機(jī)。經(jīng)過

25、幾十年的努力，終于在60年代實(shí)現(xiàn)了這一愿望。</p><p>　　在此之后，又相繼出現(xiàn)了新型永磁材料釤鈷、釤鋁、欽鐵硼，它們具有高剩磁密度，高矯頑力以及高磁能積等優(yōu)異磁性能，使永磁電機(jī)有了較大發(fā)展。但是釤和鈷的價(jià)格昂貴，限制了永磁無刷電機(jī)的前進(jìn)步伐。直到八十年代初期，價(jià)格較低的欽鐵硼永磁材料研制成功，開創(chuàng)了稀土永磁電機(jī)的新紀(jì)元，并為其在民品工業(yè)中的應(yīng)用開辟了廣闊前景，現(xiàn)已在醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、紡織及家用電器

26、等領(lǐng)域日益普及[1][2]。</p><p>　　進(jìn)入90年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導(dǎo)體功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、MCT等相繼問世，以及微處理器、大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，逆變裝置也發(fā)生了根本性的變化。這些開關(guān)器件本身向著高頻化、大容量、智能化方向發(fā)展，并出現(xiàn)集半導(dǎo)體開關(guān)、信號(hào)處理、自我保護(hù)等功能為一體的智能功率模塊（正M）和大功率集成電路，使直流伺服電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一

27、―逆變器的成本降低，且向高頻化、小型化發(fā)展。同時(shí)，永磁材料的性能不斷提高和完善，特別是釹、鐵、硼永磁材體的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善，加上永磁電機(jī)研究和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，稀土永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用和開發(fā)進(jìn)入一個(gè)新階段，目前正朝著超高速、高轉(zhuǎn)矩，高功能化、微型化方向發(fā)展[3]。</p><p>　　1.2直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用</p><p>　　1.2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)<

28、/p><p>　　直流無刷電機(jī)是用電子換向代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械換向的一種新型機(jī)電一體化電機(jī)。它由一臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)的本體，一套電子換向開關(guān)電路（又稱逆變器）,和轉(zhuǎn)子位置傳感器所組成。</p><p>　　直流伺服電動(dòng)機(jī)保持著有刷直流電機(jī)的優(yōu)良機(jī)械及控制特性，在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電機(jī)一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子上放置永久磁鋼。直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞繞組像交流電機(jī)的繞組一樣，采用多相形式，經(jīng)由逆

29、變器接到直流電源上，定子采用位置傳感器實(shí)現(xiàn)電子換相來代替有刷直流電機(jī)的電刷和換向器，各相逐次通電產(chǎn)生電流，定子磁場和轉(zhuǎn)子磁極主磁場相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　和有刷直流電機(jī)相比，直流伺服電動(dòng)機(jī)由于取消了電機(jī)的滑動(dòng)接觸機(jī)構(gòu)，因而消除了故障的主要根源。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，也就沒有了勵(lì)磁損耗，又由于主磁場是恒定的，因此鐵損也是極小的(在方波電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，電樞磁勢(shì)的軸線是脈動(dòng)的，會(huì)在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)產(chǎn)生一定的鐵損，采用

30、正弦波電流驅(qū)動(dòng)比方波電流鐵損更小)?？偟恼f來，除了軸承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磨損外，轉(zhuǎn)子的損耗很小，因而進(jìn)一步增加了工作的可靠性[4] [5]。</p><p>　　1.2.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用</p><p>　　由于直流伺服電動(dòng)機(jī)既具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好的特點(diǎn)，故在當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如醫(yī)療器械、儀表儀

31、器、化工、輕紡以及家用電器等方面的應(yīng)用日益普及。直流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用主要分為以下幾類: </p><p><b>　　定速驅(qū)動(dòng)機(jī)械</b></p><p>　　一般不需要調(diào)速的領(lǐng)域以往大多是采用三相或單相交流異步和同步電機(jī)。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，在功率不大于且連續(xù)運(yùn)行的情況下，為了減少體積，節(jié)省材料，提高效率和降低能耗，越來越多的電機(jī)正被直流伺服電動(dòng)機(jī)逐步取代，這類

32、應(yīng)用:有自動(dòng)門、電梯、水泵、風(fēng)機(jī)等。而在功率較大的場合，由于一次成本和投資較大，除了永磁電機(jī)外還要增加驅(qū)動(dòng)器，因此目前較少有應(yīng)用。</p><p><b>　　調(diào)速驅(qū)動(dòng)機(jī)械</b></p><p>　　速度需要任意設(shè)定和調(diào)節(jié)，但控制精度要求不高的調(diào)速系統(tǒng)分為兩種:一種是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，另一種是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(此時(shí)的速度反饋器件多采用低分辨率的脈沖編碼器或交、直流測(cè)速等)。

33、通常采用的電機(jī)主要有三種:直流電機(jī)、交流異步電機(jī)和直流伺服電動(dòng)機(jī)。這在包裝機(jī)械、食品機(jī)械、印刷機(jī)械、物料輸送機(jī)械、紡織機(jī)械和交通車輛中有大量應(yīng)用[6][7]。</p><p>　　調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域最初用得最多的是直流電機(jī)，隨著交流調(diào)速技術(shù)特別是電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用，變頻器和交流電動(dòng)機(jī)迅速滲透到原來直流調(diào)速系統(tǒng)的絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。近幾年來，由于直流伺服電動(dòng)機(jī)體積小、重量小和高效節(jié)能等

34、一系列優(yōu)點(diǎn)，中小功率的交流變頻系統(tǒng)正逐步被直流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)所取代，特別是在紡織機(jī)械、印刷機(jī)械等原來應(yīng)用變頻系統(tǒng)較多的領(lǐng)域，而在一些直接由電池供電的直流電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，則更多的由直流伺服電動(dòng)機(jī)所取代。</p><p><b>　　精密控制</b></p><p>　　伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的高精度控制中扮演了一個(gè)十分重要的角色，應(yīng)用場合不同，對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的控制性能要

35、求也不盡相同，在實(shí)際應(yīng)用中，伺服電動(dòng)機(jī)有各種不同的控制形式:轉(zhuǎn)矩控制、電流控制、速度控制、位置控制。直流伺服電動(dòng)機(jī)由于其良好的控制性能，在高速、高精度定位系統(tǒng)中逐步取代了直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)，成為其首選的伺服電機(jī)之一。目前，掃描儀、攝影機(jī)、CD唱機(jī)驅(qū)動(dòng)、醫(yī)療診斷CT、計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)及數(shù)控車床驅(qū)動(dòng)中等都廣泛采用了直流伺服電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)用于精密控制[8][9][10]。</p><p>　　1.3 課題主要研究內(nèi)容&l

36、t;/p><p>　　本文以高性能的電機(jī)專用控制芯片80C196MC為控制核心，輔以鍵盤、顯示、檢測(cè)反饋電路，研制三相大功率永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制目標(biāo)為：</p><p>　　1．實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸入與轉(zhuǎn)速顯示，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制；</p><p>　　2．實(shí)現(xiàn)電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，盡量減小超調(diào)量和轉(zhuǎn)差率；</p><p>　　

37、3．控制起動(dòng)電流的大小，防止起動(dòng)過程中過流；</p><p>　　4．實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，</p><p>　　5．設(shè)置合理的電路保護(hù)</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)要求，本人主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究：</p><p>　　1．首先探討了直流伺服電動(dòng)機(jī)的發(fā)展進(jìn)程。從直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本原理出發(fā)，導(dǎo)出了其等效電路圖和數(shù)學(xué)模型。研究了直流伺服

38、電動(dòng)機(jī)的工作原理、驅(qū)動(dòng)方法、運(yùn)行特性及控制規(guī)律。</p><p>　　2．對(duì)單片機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)進(jìn)行探討，對(duì)本文中將使用到的80C196MC做了重點(diǎn)論述，并設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的有位置傳感器控制方案。</p><p>　　3．設(shè)計(jì)了調(diào)速系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)各主要部分的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和闡述。根據(jù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和所采用的控制策略，調(diào)速系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的軟件構(gòu)成。</p>

39、<p>　　4．對(duì)控制系統(tǒng)整體性能進(jìn)行了分析，并提出了需要進(jìn)一步研究的若干問題。</p><p>　　第2章 直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作過程</p><p>　　直流伺服電動(dòng)機(jī)是近幾十年來隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型電動(dòng)機(jī)，其基本工作原理是借助反映轉(zhuǎn)子位置的位置信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)逆變電路的功率開關(guān)元件，使電樞繞組依一定順序?qū)?，從而在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，拖

40、動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)依一定規(guī)律變化，從而改變電樞繞組的通電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。</p><p>　　2.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)基本組成</p><p>　　直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.1所示。它主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。</p><p>　　圖2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖</p>

41、<p>　　2.1.1電動(dòng)機(jī)本體</p><p>　　直流伺服電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電機(jī)相似，但沒有籠形繞組和其它氣動(dòng)裝置。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等），轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)（=2，4，…）組成。</p><p>　　圖2.1中的電動(dòng)機(jī)為三相兩極。三相定子繞組分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件相聯(lián)接，在圖2.1中的相、相、相繞組分別與功率開關(guān)

42、管、、相接。位置傳感器負(fù)責(zé)跟蹤轉(zhuǎn)子并電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子位置信號(hào)變換成電信號(hào)，控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的作用。</p><p>　　2.1.2 轉(zhuǎn)子位置傳感器&

43、lt;/p><p>　　位置傳感器在直流無刷電機(jī)中起著檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，安裝在定子線圈的相應(yīng)位置上。當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子磁極所產(chǎn)生的磁場互相作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁極位置變換成電信號(hào)，去控制電子換向線路，從而使定子各相繞組按一定次序通電，使定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化按一定的次序換向，從而使電機(jī)能夠連續(xù)工作。位置傳感器的種類很多，且各具特點(diǎn)。目前在直流無刷電機(jī)中常用的

44、位置傳感器有以下幾種類型：</p><p>　　1．電磁式位置傳感器</p><p>　　電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)位置測(cè)量。電磁式位置傳感器具有輸出信號(hào)大、工作可靠、壽命長、使用環(huán)境要求不高、適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。但這種傳感器的信噪比低，同時(shí)其輸出波形為交流，一般需要經(jīng)過整流、濾波后才可使用。</p><p>　　2．光電式位置傳感器</p&g

45、t;<p>　　光電式位置傳感器利用光電效應(yīng)制成，由跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動(dòng)的光源及光電管等部件組成。這類傳感器性能比較穩(wěn)定，但存在輸出信號(hào)信噪比較大、光源燈泡壽命短、使用環(huán)境要求高等缺點(diǎn)。</p><p>　　3．磁敏式位置傳感器</p><p>　　磁敏式位置傳感器是指它的某些電參數(shù)按一定規(guī)律隨周圍磁場變化的半導(dǎo)體敏感元件，其基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。目

46、前常見的磁敏式傳感器有霍爾元件、霍爾集成電路、磁敏電阻器及磁敏二極管等[5]?；魻杺鞲衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、成本低，是目前在直流伺服電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最多的一種位置傳感器?；魻栃?yīng)原理圖如2.2.1a所示：</p><p>　　圖2.2 a霍爾效應(yīng)原理示意圖 圖2.2 b霍爾開關(guān)應(yīng)用電路</p><p>　　在長方形半導(dǎo)體薄片上通以電流，當(dāng)將半導(dǎo)體薄片置

47、于外磁場中，并將其與外磁場垂直時(shí)，則在與電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度B構(gòu)成的平面相垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，稱其為霍爾電動(dòng)勢(shì)，其大小為：</p><p>　　式中，為霍爾元件的靈敏度系數(shù)。</p><p>　　霍爾元件所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很低，在應(yīng)用時(shí)往往需要外接放大器，很不方便。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，將霍爾元件與附加電路封閉為三端模塊，構(gòu)成霍爾集成電路。</p><p>　　霍

48、爾集成電路有開關(guān)型和線性型兩種類型。通常采用開關(guān)型霍爾集成電路作為位置傳感元件。我們通常把開關(guān)型霍爾集成電路叫做霍爾開關(guān)，其應(yīng)用電路如圖2.2.1b所示。</p><p>　　使用霍爾開關(guān)構(gòu)成位置傳感器通常有兩種形式。第一種方式是將霍爾開關(guān)粘貼于電機(jī)端蓋內(nèi)表面，在靠近霍爾開關(guān)并與之有一定間隙處，安裝著與電機(jī)軸同軸的永磁體。第二種是直接將霍爾開關(guān)敷貼在定子電樞鐵心表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子上永磁體主磁極

49、作為傳感器的永磁體，根據(jù)霍爾開關(guān)的輸出信號(hào)即可判定轉(zhuǎn)子位置。對(duì)于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)直流伺服電動(dòng)機(jī)，三個(gè)霍爾開關(guān)在空間彼此相隔120°電角度，傳感器永磁體的極弧寬度為180°電角度，這樣，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，三個(gè)霍爾開關(guān)便交替輸出三個(gè)寬度為180°電角度、相位互差120°的矩形波信號(hào)[9]。</p><p>　　直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的脈沖信號(hào)通過單片機(jī)控制器的C

50、AP捕獲電路送入單片機(jī)控制器作為轉(zhuǎn)子位置和速度的反饋信號(hào)，當(dāng)任意一相轉(zhuǎn)子位置信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生中斷，在中斷處理程序中實(shí)現(xiàn)電機(jī)換相。在電機(jī)轉(zhuǎn)子每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)霍爾位置傳感器會(huì)產(chǎn)生六個(gè)交變信號(hào)，因此只要算出兩次信號(hào)交變的時(shí)間差，就可以由簡單除法得到電機(jī)實(shí)際速度值。</p><p>　　2.1.3電子換向電路</p><p>　　電子換向電路的作用是將位置傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行處理，按一

51、定的邏輯代碼輸出，觸發(fā)功率開關(guān)。由于電子換向線路的導(dǎo)通次序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，因而起到了機(jī)械電刷和換向器的換向作用。因此，所謂直流伺服電動(dòng)機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一個(gè)由電子換向電路、永磁式同步電動(dòng)機(jī)以及位置傳感器三者共同所組成的閉環(huán)系統(tǒng)。</p><p>　　直流無刷電動(dòng)機(jī)的電子換向電路是用來控制電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組通電順序和時(shí)間，主要由功率邏輯控制開關(guān)單元和位置傳感器信號(hào)處理單元兩個(gè)部分組成。功率邏輯控制開

52、關(guān)單元是控制電路的核心，其作用是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給直流無刷電動(dòng)機(jī)定子上的各相繞組，以便使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于來自位置傳感器的信號(hào)。</p><p>　　電子換向電路分為橋式和非橋式兩種，雖然電樞繞組與電子換向電路的連接形式多種多樣，但應(yīng)用最廣泛的是三相星形全控狀態(tài)和三相星形半控狀態(tài)連接。早期的直流伺服電動(dòng)機(jī)的換向器大多由晶閘管組成，由于其關(guān)斷要借助于反電動(dòng)勢(shì)

53、或電流過零，而且晶閘管的開關(guān)頻率較低，使得逆變器只能工作在較低頻率范圍內(nèi)。隨著新型可關(guān)斷全控型器件的發(fā)展，在中小功率的電動(dòng)機(jī)中換向器多由功率MOSFET或IGBT構(gòu)成，具有驅(qū)動(dòng)容易、開關(guān)頻率高、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)[4][12]。</p><p>　　2.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理</p><p>　　直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理有刷直流電機(jī)由于電刷的換向，使得由永久磁鋼產(chǎn)主的磁場與電樞繞組通

54、電后產(chǎn)生的磁場在電機(jī)運(yùn)行過程中始終保持垂直從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。直流伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理和有刷直流電機(jī)基本相同，即在一個(gè)具有恒定磁通密度分布的磁極下，保證電樞繞組中通入的電流總量恒定，以產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩只與電樞電流的大小有關(guān)。直流伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行還需依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，通過換相驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)與電樞繞組連接的各功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制定子繞組的通電，在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)

55、，位置傳感器不斷地送出信號(hào)，以改變電樞的通電狀態(tài)，使得在同一磁極下的導(dǎo)體中的電流方向不變。因此，就可產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩使直流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來。直流伺服電動(dòng)機(jī)三相繞組主回路基本類型有三相半控和三相全控兩種。三相半控電路的特點(diǎn)是簡單，一個(gè)功率開關(guān)控制一相的通斷，每個(gè)繞組只通電1/3的時(shí)間，另外2/3時(shí)間處于斷開狀態(tài)，沒有得到充分的利用。所以我們采用三相全控式電路，如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 三相全控

56、橋兩兩導(dǎo)通電路</p><p>　　在圖2.2中，電動(dòng)機(jī)的繞組為星形聯(lián)結(jié)。、……為六個(gè)功率器件，起繞組的開關(guān)和驅(qū)動(dòng)作用。同時(shí)我們采用兩兩導(dǎo)通方式，所謂兩兩導(dǎo)通方式是指每一個(gè)瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔1/6周期（60°電角度）換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每一功率管導(dǎo)通120°電角度。各功率管的導(dǎo)通順序→→→→→→。當(dāng)功率管導(dǎo)通時(shí)，電流從管流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)管回到電源。二相導(dǎo)通的

57、星形三相六狀態(tài)的導(dǎo)通順序表如表2.1所示。</p><p>　　表2.1 兩兩導(dǎo)通的導(dǎo)通順序表</p><p>　　2.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　方波直流伺服電動(dòng)機(jī)的主要特征是反電動(dòng)勢(shì)為梯形波，包含有較多的高次諧波，這意味著定子和轉(zhuǎn)子的互感是非正弦的，并且直流伺服電動(dòng)機(jī)的電感為非線性。因此在這里采用dq變換理論己經(jīng)不是有效的分析方法，因?yàn)閐q

58、方程只適用于氣隙磁場為正弦分布的電動(dòng)機(jī)。而直接利用電動(dòng)機(jī)原有的相變量來建立數(shù)學(xué)模型既簡單又能獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果。在此，直接采用相變量法，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置，采用分段線性表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。為簡化數(shù)學(xué)模型的建立，在電機(jī)模型建立時(shí)，認(rèn)為電機(jī)氣隙是均勻的。并作以下假設(shè)：</p><p>　　1．定子繞組為60°相帶整距集中繞組，星形連接；</p><p>　　2．忽略齒槽效應(yīng)，繞組均勻分布于光滑定

59、子表面；</p><p>　　3．轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，電機(jī)無阻尼作用；</p><p>　　4．磁路不飽和，忽略高次磁勢(shì)諧波的影響，忽略磁滯、渦流的影響。</p><p>　　2.3.1電壓平衡方程</p><p><b>　　由電機(jī)電壓平衡方程</b></p><p><b>　?。?

60、.1）</b></p><p>　　對(duì)于三相直流伺服電動(dòng)機(jī)，方程可寫成</p><p><b>　　（2.2）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　、、為三相定子相電壓；</p><p>　　、、為三相定子反電動(dòng)勢(shì)；</p

61、><p>　　、、為三相定子相電流；</p><p>　　、、為三相定子相電阻；</p><p>　　、、為三相定子繞組自感；</p><p>　　、、、、、為三相定子繞組間互感；</p><p><b>　　為微分算子。</b></p><p>　　無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)決定了在一個(gè)

62、電角度內(nèi)轉(zhuǎn)子的磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，并假定三相繞組對(duì)稱。則有：</p><p>　?。剑剑?（2.3） </p><p>　?。剑剑剑剑剑?（

63、2.4） </p><p>　?。剑剑?（2.5）</p><p>　　又因?yàn)樵谌鄬?duì)稱的電機(jī)中存在因而，故方程經(jīng)整理可得：</p><p><b>　?。?.6）</b></p>

64、;<p><b>　　2.3.2轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p>　　直流伺服電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程與普通直流電動(dòng)機(jī)相似，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流幅值成正比，即</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　其中：為電機(jī)的角速度；為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。</p><p>

65、　　在忽略轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的粘滯系數(shù)的假設(shè)下，無刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可寫為：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　其中：為電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。</p><p><b>　　2.3.3傳遞函數(shù)</b></p><p>　　直流伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行我和傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)基本相同

66、，其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以采用直流電動(dòng)機(jī)通用的結(jié)構(gòu)圖，如圖2.4所示：</p><p>　　圖2.4直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　由直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖得其傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　（2.9）</b></p><p>　　上式中：K1為電動(dòng)勢(shì)傳遞函數(shù)系數(shù)，，為電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；</p>

67、<p>　　為轉(zhuǎn)矩傳遞系數(shù)，；為電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻，為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；</p><p>　　為機(jī)電時(shí)間常數(shù)，，為轉(zhuǎn)子重量，為轉(zhuǎn)子直徑。</p><p>　　2.4 直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法</p><p>　　2.4.1電勢(shì)和調(diào)速方法</p><p>　　由直流伺服電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型知，直流伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程同一般有刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程在形

68、式上完全一致。所以直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法也和有刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法相似。有刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法包括：改變電機(jī)主磁通調(diào)速;改變電樞回路電阻調(diào)速；調(diào)節(jié)電樞端電壓調(diào)速[15]。直流伺服電動(dòng)機(jī)定子繞組，相電勢(shì)幅值由下式確定：</p><p><b>　　（2.10）</b></p><p>　　式中 為電勢(shì)系數(shù)；為相繞組等效匝數(shù)；</p&

69、gt;<p>　　若考慮線路損耗及電機(jī)內(nèi)部壓降（已歸入），而且，導(dǎo)通型逆變器的輸出電壓幅值為 ，則電機(jī)電勢(shì)與外加電壓相平衡， ，即</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　式中為回路等效電阻，包括電機(jī)兩相電阻和

70、管壓降等效電阻。式2.12表明，無直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式與直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式十分相似，可證明，當(dāng)氣隙分布為方波，電機(jī)繞組為整距集中時(shí)，直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式與直流電機(jī)完全一樣。</p><p>　　調(diào)節(jié)電樞端電壓調(diào)速主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)有：降壓特性曲線是一族與固有特性平行的直線，無論滿載、輕載還是空載，都有明顯得調(diào)速效果;降壓特性曲線的硬度

71、不變，低速時(shí)由于負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)不大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍大；可以平滑地改變施于電動(dòng)機(jī)的端電壓，從而使轉(zhuǎn)速平滑地調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速；電樞端電壓調(diào)速方法調(diào)節(jié)過程中能量損耗小。因此這種調(diào)速方法被廣泛應(yīng)用在對(duì)起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能要求較高的場合。</p><p>　　調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可控直流電源有三種：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、靜止可控整流器、直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。通過脈寬調(diào)制變換器進(jìn)行調(diào)制

72、的方法又稱為PWM（Pulse width modulation)調(diào)制方法。它是用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過通、斷電時(shí)間的變化來改變負(fù)載上直流電壓的平均值，將固定直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源。</p><p>　　構(gòu)成直流斬波器的開關(guān)器件過去用的較多的是普通晶閘管，它們本身沒有自關(guān)斷能力，因而限制了斬波器的性能;目前斬波器大都采用既能控制其導(dǎo)通

73、又能控制其關(guān)斷的全控型器件，如功率晶體管(GTR)，可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力場效應(yīng)管(P-MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管((IGBT)等。采用全控型器件的PWM調(diào)速系統(tǒng)，其脈寬調(diào)制電路的開關(guān)頻率很高(可達(dá)20K以上)，因此系統(tǒng)的頻帶寬、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)[25]</p><p>　　本系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)逆變器功率器件的PWM觸發(fā)信號(hào)的占空比來改變輸入電機(jī)的平均電壓而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。</p>

74、<p><b>　　2.4.2電磁轉(zhuǎn)矩</b></p><p>　　直流伺服電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可由電機(jī)的電磁功率和角速度求得</p><p><b>　?。?.13）</b></p><p>　　將式2.10、2.11和式2.12代入上式得</p><p><b>　　（2.14）

75、</b></p><p>　　2.5直流伺服電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)</p><p>　　2.5.1雙閉環(huán)控制系統(tǒng)組成</p><p>　　控制系統(tǒng)的儀器或設(shè)備，必然對(duì)其直流伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)都有相應(yīng)的靜、動(dòng)態(tài)性能要求。在一些高、精、尖領(lǐng)域（如航空航天等），其對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求可以說是相當(dāng)苛刻的。由于直流伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速靜差率的存在，采用開

76、環(huán)控制技術(shù)不能消除靜差率，不能滿足控制系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的三個(gè)基本要求，故在實(shí)際工程應(yīng)用中的直流伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)都是采用閉環(huán)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的[10]。</p><p>　　直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，但又不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩，因而常在對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求不高的場合采用。如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)控

77、制系統(tǒng)就難以滿足需要。</p><p>　　為了改善直流伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，就很有必要在速度負(fù)反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再引入電流負(fù)反饋環(huán)來控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的電流和轉(zhuǎn)矩。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，直流伺服電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5直流伺服電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)&

78、lt;/p><p>　　圖2.5中GT為驅(qū)動(dòng)控制裝置，V為功率開關(guān)管，、分別為轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓，、分別為電流給定電壓和電流反饋電壓。這就是說，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制功率開關(guān)管的觸發(fā)裝置，進(jìn)而控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電流或轉(zhuǎn)矩的控制[24]。</p><p>　　2.5.2雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型</

79、p><p>　　從圖2.5直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型中可以看出，直流伺服電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是外加電壓信號(hào)，另一個(gè)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩；前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。將擾動(dòng)輸入量的綜合點(diǎn)移前，并進(jìn)行等效變換，可得如下直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)等效結(jié)構(gòu)圖，如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.6直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)等效結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　上圖中，—為電樞電感()，—為

80、電樞電阻()；</p><p>　　—為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，包括電動(dòng)機(jī)軸上輸出轉(zhuǎn)矩和恒定阻力轉(zhuǎn)矩()；</p><p>　　—為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，—為阻力系數(shù)；</p><p>　　—為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度()，J—為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量()；</p><p>　　要控制功率開關(guān)管整流裝置總離不開控制觸發(fā)電路，因此在分析系統(tǒng)時(shí)往往把它們當(dāng)作一個(gè)環(huán)節(jié)來看待。這一環(huán)節(jié)的輸入量是

81、觸發(fā)電路的控制電壓，輸出量是直流伺服電動(dòng)機(jī)的外加電壓。如果把它們之間的放大系數(shù)看成常數(shù)，又由于功率開關(guān)管裝置存在滯后作用，故功率開關(guān)管的觸發(fā)與整流裝置可以看成是一個(gè)具有純滯后的放大環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié)：</p><p>　?。?.16） </p><p&g

82、t;　　其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2.7所示：</p><p>　　圖2.7 功率開關(guān)管觸發(fā)和整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　速度、電流的計(jì)算和檢測(cè)可以認(rèn)為是瞬時(shí)的，因此它們的放大系數(shù)也就是它們的傳遞函數(shù)，即</p><p><b>　　（2.17）</b></p><p><b>　?。?.18）</b&g

83、t;</p><p>　　知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按圖2.5所示在系統(tǒng)中的相互關(guān)系組合起來，就可以畫出直流伺服電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2.8所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器。由于直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與有刷直流電機(jī)非常相似，所以其雙閉環(huán)起動(dòng)過程與有刷直流電機(jī)也應(yīng)該類似。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流的波形如圖2.9所示。</p><p>　　圖2.8

84、直流伺服電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　圖2.9 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形圖</p><p>　　第3章 調(diào)速系統(tǒng)方案確定</p><p>　　3.1無刷電機(jī)樣機(jī)參數(shù)</p><p>　　系統(tǒng)中三相直流伺服電動(dòng)機(jī)各參數(shù)為：額定功率，額定電流，額定電壓，額定轉(zhuǎn)速，電機(jī)內(nèi)阻，繞組電感，飛輪力矩，電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。</

85、p><p><b>　　3.2主控單元</b></p><p>　　為滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，快速響應(yīng)性，且方便編程的要求，本系統(tǒng)選用了由Intel公司的80C196MC單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控單元。</p><p>　　3.2.1 80C196MC單片機(jī)簡介</p><p>　　8XC196MC單片機(jī)是美國著名的Intel公司推出的最

86、新一代單片機(jī)。它在MCS-96基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)和功能又有了重大突破，是196系列中功能最為卓著，最具典型意義的一種。Intel8XC196MC特別適合于電動(dòng)機(jī)等高速控制領(lǐng)域，在美國工業(yè)界受到了普遍的歡迎和重視。由于它具有性能高，功能全，用戶使用方便等特點(diǎn)，尤其是高速的處理能力和對(duì)交流電的特殊應(yīng)用，因此它必將在我國的數(shù)字控制領(lǐng)域廣泛采用，也將帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)，它是由CHMOS電路構(gòu)成，功耗低，并具有省電的工作方式，所以也適于

87、集成于各種電路中長期使用，可靠性極高[11][12]。其主要技術(shù)指標(biāo)為：</p><p>　?。?）工作頻率，16位數(shù)據(jù)位；</p><p>　?。?）6路互補(bǔ)型控制交流電機(jī)的SPWM波形（P6.0—P6.5）和兩路用來控制直流電機(jī)的PWM波形（P6.6—P6.7）；</p><p>　?。?）工作電壓：（數(shù)字部分），（模擬部分）；工作溫度：—</p>

88、<p>　　3.2.2 80C196MC單片機(jī)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　80C196MC是專門為電機(jī)高速控制所設(shè)計(jì)的一款16位微控制器，它由一個(gè)C196核心、一個(gè)三相波形發(fā)生器WFG，算術(shù)、邏輯運(yùn)算部分RALU，寄存器集，內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器、事件處理陣列（EPA）、兩個(gè)定時(shí)器和一個(gè)脈寬調(diào)制單元PWM等部分構(gòu)成。如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 80C196MC原理

89、框圖</p><p>　　80C196MC的寄存器集包括512個(gè)字節(jié)，分為兩部分，即低256字節(jié)和高256字節(jié)。低256字節(jié)中的前24個(gè)字節(jié)為特殊功能寄存器SFR。RALU在運(yùn)算過程中，不像其它單片機(jī)那樣只使用一個(gè)累加器，而是把低256字節(jié)都當(dāng)作累加器，從而避免了使用單個(gè)累加器而易產(chǎn)生的瓶頸效應(yīng)；其高256字節(jié)用作寄存器RAM，80C196MC可利用其獨(dú)特的窗口技術(shù)，將此256字節(jié)切換成具有累加器功能，因而編程容

90、易，執(zhí)行速度高。</p><p>　　80C196MC的特殊功能寄存器SFR除了有24個(gè)在寄存器集低端外，其余大部分都位于存儲(chǔ)空間1F00H－1FFFH。這些特殊功能寄存器也可通過使用窗口技術(shù)將它們切換到寄存器區(qū)，以達(dá)到高速操作的要求。</p><p>　　80C196MC的晶振頻率可達(dá)到，其執(zhí)行速度很快，同時(shí)其內(nèi)部帶有13路8位/10位的高速A/D轉(zhuǎn)換器及可柔性化變換的8位/16位總線結(jié)

91、構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制響應(yīng)的快速性。</p><p>　　3-Phase Complementary Waveform Generator波形發(fā)生器WFG是80C196MC獨(dú)具的特點(diǎn)之一。這一外設(shè)裝置大大簡化了用于產(chǎn)生PWM波形的控制軟件和外部硬件。WFG有三個(gè)同步的PWM模塊，每個(gè)模塊包含一個(gè)相位比較器，一個(gè)無信號(hào)時(shí)間發(fā)生器和一對(duì)可編程的輸出。WFG可以產(chǎn)生獨(dú)立的、互補(bǔ)的三對(duì)PWM波形，但它們有共同的載波頻率、

92、無信號(hào)時(shí)間和操作方式。此六路SPWM信號(hào)可通過P6口直接輸出，每個(gè)引腳的電流可達(dá)20mA。CPU可以通過改變其PWM信號(hào)的占空比來加以干預(yù)。通過設(shè)置SPWM信號(hào)發(fā)生器內(nèi)的重裝寄存器來設(shè)定頻率，一旦該常數(shù)值確定，WFG將自動(dòng)輸出頻率與此常數(shù)相對(duì)應(yīng)的SPWM波直到重新裝入新的常數(shù)為止。為防止同一橋臂上下兩個(gè)功率MOSFET同時(shí)導(dǎo)通造成短路，WFG可通過編程設(shè)置逆變橋MOSFET工作時(shí)的死區(qū)互鎖時(shí)間。在使用晶振時(shí)，死區(qū)時(shí)間可在之間設(shè)定。<

93、;/p><p>　　80C196MC還包括事件處理陣列EPA及外設(shè)處理服務(wù)功能PTS。其中EPA用于處理與輸入輸出有關(guān)的事件，相當(dāng)于8098的高速輸入輸出口和，但其功能又比后者增強(qiáng)了許多，在輸入線中，用于捕捉輸入引腳上的邊沿跳變信號(hào)；在輸出方式中，用于比較定時(shí)/計(jì)數(shù)器與用戶設(shè)定的常數(shù)。80C196MC具有四個(gè)一致的捕捉/比較模塊和四個(gè)比較模塊，可分別設(shè)置成不同的工作方式。</p><p>　　

94、PTS是一種類似于DMA的處理方式，其用微指令碼來代替中斷服務(wù)程序，設(shè)置完畢就可自動(dòng)執(zhí)行，不需CPU干預(yù)，任何一種中斷方式（非屏蔽中斷NMI除外），均可以設(shè)置成PTS工作方式，主要包括數(shù)據(jù)塊的傳送、A/D轉(zhuǎn)換、事件處理等。在閉環(huán)控制中，A/D轉(zhuǎn)換器通常要占去幾十微秒，因而不利于快速控制。若將A/D轉(zhuǎn)換設(shè)置成PTS方式，則A/D轉(zhuǎn)換將由PTS自動(dòng)完成，節(jié)省了CPU大量時(shí)間，提高了系統(tǒng)的快速性[18]。</p><p&g

95、t;　　3.2.2 80C196MC單片機(jī)的特點(diǎn)</p><p>　　8XC196MC單片機(jī)的最為顯著的特點(diǎn)就是具有一個(gè)波形發(fā)生器（WG），它能產(chǎn)生三對(duì)完美的脈寬調(diào)制信號(hào)，因此特別適合于對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制，也能控制直流伺服電動(dòng)機(jī)以及完成直流到交流的轉(zhuǎn)換。這一功能在工業(yè)控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。波形發(fā)生器（WG）的每個(gè)信號(hào)都可獨(dú)立編程，具有很大的應(yīng)用靈活性。另外，它還提供了兩個(gè)脈寬調(diào)制單元（PWM），這兩個(gè)脈寬調(diào)

96、制器是獨(dú)立于波形發(fā)生器之外的，輸出周期和脈沖寬度可調(diào)的脈沖。每個(gè)通道的占空比是通過各自的8位周期寄存器編程的。在脈寬調(diào)制器內(nèi)還有一個(gè)8位計(jì)數(shù)器，兩個(gè)8位PWM比較寄存器。PWM的輸出由波形發(fā)生器的輸出控制寄存器控制。PWM信號(hào)經(jīng)平滑濾波后，可變?yōu)槟M信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高精度的8位D/A轉(zhuǎn)換。8XC196MC單片機(jī)具有很強(qiáng)的A/D轉(zhuǎn)換功能，它具有13個(gè)通道轉(zhuǎn)換器，能夠完成10位或8位的高速的A/D轉(zhuǎn)換，采樣保持時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間是可編程的。輸入的模擬

97、電壓和模擬地、參考電壓共同完成轉(zhuǎn)化，結(jié)果還可以用于計(jì)算增益和零偏差。零偏差補(bǔ)償電路也是可編程的，它能夠?qū)崿F(xiàn)偏移的自動(dòng)調(diào)整。8XC196MC單片機(jī)的事件處理器陣列EPA具有4種捕捉/比較方式和4種只比較方式，它和TI</p><p><b>　　3.3 系統(tǒng)的組成</b></p><p>　　以80C196MC為核心構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3.2所示，可以分為四

98、個(gè)部分，即電機(jī)本體、位置傳感器、主回路和控制回路。</p><p>　　圖3.2直流無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　1．機(jī)組部分電機(jī)定子繞組三相雙極星形連接，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場為梯形波；在轉(zhuǎn)軸上安裝有霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器，在機(jī)座上安裝有三個(gè)互差電角度的霍爾定子位置傳感器，輸出三個(gè)脈寬為電角度的位置信號(hào)，用作系統(tǒng)的位置及速度檢測(cè)。</p><p>　　2．主回路部

99、分主回路由三相全波整流器、充電限流電阻R、儲(chǔ)能濾波電容C，MOSFET三相逆變器構(gòu)成，為典型的交—直—交電壓型變頻器結(jié)構(gòu)。其中的三相整流橋和MOSFET逆變橋都是模塊形式，且都固定在同一片散熱器上，簡化了電路結(jié)構(gòu)。</p><p>　　3．控制回路部分主要有電機(jī)專用單片機(jī)系列芯片80C196MC、檢測(cè)電路、保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路等組成。80C196MC是控制部分的核心，它參與整個(gè)系統(tǒng)的控制與管理，并用來完成速度、電流

100、的雙閉環(huán)全數(shù)字PI調(diào)節(jié)，三路位置信號(hào)的邏輯處理以及輸出三相六路的SPWM波；監(jiān)測(cè)電路完成系統(tǒng)的位置、速度、電流的檢測(cè)處理，使系統(tǒng)有機(jī)地運(yùn)行；保護(hù)電路完成系統(tǒng)的過壓、欠壓、過流、過熱等各種故障信號(hào)自診斷保護(hù)功能，確保系統(tǒng)能安全可靠地工作；驅(qū)動(dòng)電路采用MOSFET專用驅(qū)動(dòng)模塊，除完成光電隔離驅(qū)動(dòng)外，其本身還具有MOSFET過流檢測(cè)和過流軟關(guān)斷功能，能對(duì)每個(gè)主開關(guān)元件進(jìn)行有效的過流保護(hù)。</p><p>　　第4章

101、基于單片機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　傳統(tǒng)的直流伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)一般由模擬器件以硬接線方式構(gòu)成。模擬控制系統(tǒng)價(jià)格便宜，使用方便，在很長一段時(shí)間里，它們是構(gòu)成各類電機(jī)控制系統(tǒng)的主要手段。然而模擬元件的物理特性決定了它們具有一些本質(zhì)上的缺陷，例如元件老化，特征參數(shù)受溫度影響等，使它很難滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。因此，數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字控制系統(tǒng)一般以可編程微處理器為硬件核心，通過控制軟件來實(shí)現(xiàn)系

102、統(tǒng)的功能。</p><p>　　4.1 供電電源設(shè)計(jì)</p><p>　　供電電路分別為單片機(jī)、運(yùn)算放大器、功率驅(qū)動(dòng)芯片和無刷電機(jī)提供電源。如圖4.1所示</p><p>　　圖4.1供電電源電路</p><p>　　供電電路中，使用兩組變壓器、使主電路和控制電路分開供電，提高電路的可靠性。其中控制電路組經(jīng)整流橋整流后，再用電容濾波，電容過濾

103、高頻；然后使用兩塊穩(wěn)壓塊。</p><p>　　穩(wěn)壓塊的作用是將電壓進(jìn)行降壓處理并穩(wěn)定為某一固定的值后輸出，如三端穩(wěn)壓塊7805、7812可將小于的電壓分別降成穩(wěn)定的、。為了改善穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)須在輸出端加接一只并聯(lián)電容，其值約為。穩(wěn)壓塊比只使用一只穩(wěn)壓二極管進(jìn)行穩(wěn)壓的電路要好得多，成本也不是很高，所以得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　7812輸出用于運(yùn)算放大器、功率驅(qū)動(dòng)器、高共模抑

104、制比隔離運(yùn)算放大器；另一塊輸出用于單片機(jī)、光電隔離器、或門、LED驅(qū)動(dòng)、施密特觸發(fā)器等。</p><p>　　主電路組變壓器輸出經(jīng)濾波電容后再經(jīng)過平波電抗器，使輸出的直流電流更平滑，也可以有效抑制電路中的瞬時(shí)過流。由于主電流電流較大，不適合使用三端穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓。所以輸出使用由齊納穩(wěn)壓管和達(dá)林頓管構(gòu)成的簡單串聯(lián)穩(wěn)壓電路，具有電路簡單、輸出電流大、穩(wěn)壓效果好，特別是體積小等特點(diǎn)[17]。</p><

105、p>　　達(dá)林頓管選用maxium(美信)公司的2N6038，基，，，，穩(wěn)壓管使用IN6009，最大耗散功率為，穩(wěn)壓值為，最大工作電流為。該電路穩(wěn)壓過程如下：</p><p>　　1．當(dāng)輸入電壓不變，而負(fù)載電壓變化時(shí)，其穩(wěn)壓過程如下：</p><p>　　2．當(dāng)負(fù)載不變，輸入電壓U增加時(shí)，其穩(wěn)壓過程如下：</p><p>　　3．當(dāng)增加時(shí)，輸出電壓有升高趨勢(shì)，由

106、于三極管Ｔ基極電位被穩(wěn)壓管ＤＺ固定，故的增加將使三極管發(fā)射結(jié)上正向偏置電壓降低，基極電流減小，從而使三極管的集射極間的電阻增大，增加，于是，抵消了的增加，使基本保持不變。</p><p>　　變壓器功率計(jì)算：功率驅(qū)動(dòng)電路；供電電路；供電電路；電路損耗（約5W）</p><p><b>　　總功率為 </b></p><p>　　選45W雙輸出變

107、壓器，共有兩路輸出，一路為12V，另一路為24V。</p><p>　　4.2 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.2.1位置檢測(cè)</b></p><p>　　樣機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖4.2 (a)所示。由于電機(jī)繞組為三相四極，電機(jī)內(nèi)部的霍爾元件數(shù)和永磁塊數(shù)均為三個(gè)，三個(gè)傳感元件在空間上互差機(jī)械角度分布，且每個(gè)傳感元件與其對(duì)應(yīng)的相繞組軸

108、線之間的機(jī)械夾角為，它們通過固定件固定在電機(jī)機(jī)座上，為了以后討論方便，將三個(gè)傳感元件分別編號(hào)為、、。位置傳感器整體安裝圖見圖4.2(b)。</p><p>　　圖4.2（a）無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖 圖4.2（b）霍爾傳感器安裝正視圖</p><p>　　當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針移動(dòng)時(shí)，遮擋盤的齒部進(jìn)入霍爾傳感器定子內(nèi)，此時(shí)由于永磁塊的磁力塊的磁力線被齒部所短路，磁力線不穿越霍爾

109、元件，霍爾元件輸出為“1”(高電平);當(dāng)齒部離開時(shí)，磁力線穿越霍爾元件，霍爾元件輸出為“0”(低電平)。這樣，根據(jù)這三個(gè)霍爾元件的輸出狀態(tài)，就可以準(zhǔn)確地確定轉(zhuǎn)子的磁極位置。例如，齒部準(zhǔn)備進(jìn)入時(shí)，則、、的輸出為001，隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)，齒部進(jìn)入，則、、的輸出為101，再轉(zhuǎn)動(dòng)，、、的輸出變?yōu)?00，如此反復(fù)，位置編碼如下所示：</p><p>　　、、的波形如圖4.3所示。</p><p>　　圖4