伺服電機控制系統(tǒng)本科畢業(yè)論文設計.doc

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1、南京郵電大學 畢 業(yè) 設 計（論 文） 題 目伺服電機控制系統(tǒng) 專 業(yè)電氣工程及其自動化 學生姓名 班級學號 指導教師 指導單位自動化學院 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文） ，是我個人在指導教 師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別 加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過 的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位 或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人 或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 作 者 簽 名：

2、 日 期： 指導教師簽名： 日 期： 使用授權說明使用授權說明 本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論 文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和 電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并 提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其 它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊?文的部分或全部內容。 作者簽名： 日 期： 學位論文原創(chuàng)性聲明學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行 研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本 論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成

3、果作品。對本 文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學位論文版權使用授權書學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定， 同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位 論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、 縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 涉密論文按學校規(guī)定處理。 作者簽名：日期： 年 月 日 導師簽名： 日期： 年 月 日 指導教師評閱書指導教師評閱書 指導教師評

4、價：指導教師評價： 一、撰寫（設計）過程 1、學生在論文（設計）過程中的治學態(tài)度、工作精神 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、學生掌握專業(yè)知識、技能的扎實程度 優(yōu) 良 中 及格 不及格 3、學生綜合運用所學知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力 優(yōu) 良 中 及格 不及格 4、研究方法的科學性；技術線路的可行性；設計方案的合理性 優(yōu) 良 中 及格 不及格 5、完成畢業(yè)論文（設計）期間的出勤情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格 二、論文（設計）質量 1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 三、論文（

5、設計）水平 1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格 建議成績：建議成績： 優(yōu)優(yōu) 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所選等級前的內畫“”） 指導教師：指導教師： （簽名） 單位：單位： （蓋章） 年年 月月 日日 評閱教師評閱書評閱教師評閱書 評閱教師評價：評閱教師評價： 一、論文（設計）質量一、論文（設計）質量 1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的論文（設計）任

6、務（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 二、論文（設計）水平二、論文（設計）水平 1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格 建議成績：建議成績： 優(yōu)優(yōu) 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所選等級前的內畫“”） 評閱教師：評閱教師： （簽名） 單位：單位： （蓋章） 年年 月月 日日 教研室（或答辯小組）及教學系意見教研室（或答辯小組）及教學系意見 教研室（或答辯小組）評價：教研室（或答辯小組）評價： 一、答

7、辯過程一、答辯過程 1、畢業(yè)論文（設計）的基本要點和見解的敘述情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、對答辯問題的反應、理解、表達情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格 3、學生答辯過程中的精神狀態(tài) 優(yōu) 良 中 及格 不及格 二、論文（設計）質量二、論文（設計）質量 1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 三、論文（設計）水平三、論文（設計）水平 1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格

8、 3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格 評定成績：評定成績： 優(yōu)優(yōu) 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所選等級前的內畫“”） 教研室主任（或答辯小組組長）：教研室主任（或答辯小組組長）： （簽名） 年年 月月 日日 目錄 目錄.I 第 1 章 緒論- 1 - 1.1 直流伺服電動機發(fā)展及現(xiàn)狀.- 1 - 1.2 直流伺服電動機的特點及應用- 1 - 1.2.1 直流伺服電動機的特點.- 1 - 1.2.2 直流伺服電動機的應用- 2 - 1.3 課題主要研究內容.- 3 - 第 2 章 直流伺服電動機的工作過程- 4 - 2.1 直流伺服電動機基本組成.- 4

9、 - 2.1.1 電動機本體.- 4 - 2.1.2 轉子位置傳感器- 5 - 2.1.3 電子換向電路.- 6 - 2.2 直流伺服電動機的工作原理.- 7 - 2.3 直流伺服電動機的數(shù)學模型.- 8 - 2.3.1 電壓平衡方程.- 8 - 2.3.2 轉矩方程.- 9 - 2.3.3 傳遞函數(shù).- 10 - 2.4 直流伺服電動機的調速方法.- 10 - 2.4.1 電勢和調速方法.- 10 - 2.4.2 電磁轉矩.- 11 - 2.5 直流伺服電動機雙閉環(huán)系統(tǒng)- 12 - 2.5.1 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)組成.- 12 - 2.5.2 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型.- 13 - 第 3 章

10、 調速系統(tǒng)方案確定- 15 - 3.1 無刷電機樣機參數(shù)- 15 - 3.2 主控單元- 15 - 3.2.1 80C196MC 單片機簡介.- 15 - 3.2.2 80C196MC 單片機的結構.- 15 - 3.2.2 80C196MC 單片機的特點.- 17 - 3.3 系統(tǒng)的組成.- 18 - 教學系意見：教學系意見： 系主任：系主任： （簽名） 年年 月月 日日 第 4 章 基于單片機的調速系統(tǒng)硬件設計- 19 - 4.1 供電電源設計.- 19 - 4.2 檢測電路設計.- 20 - 4.2.1 位置檢測.- 20 - 4.2.2 整形電路.- 22 - 4.2.3 正反轉控制-

11、 22 - 4.2.4 電流檢測電路.- 23 - 4.3 主功率和驅動電路.- 24 - 4.3.1 主功率電路.- 24 - 4.3.2 功率驅動電路.- 26 - 4.4 過流過壓保護電路.- 29 - 4.4.1 過流保護電路.- 29 - 4.4.2 過壓、欠壓保護電路.- 30 - 4.5 鍵盤與顯示電路.- 30 - 4.5.1 鍵盤電路.- 30 - 4.5.2 顯示電路.- 31 - 第 5 章基于單片機的調速系統(tǒng)軟件設計 - 33 - 5.1 程序設計思想.- 33 - 5.2 主程序.- 33 - 5.2.1 初始化程序- 34 - 5.2.2 鍵處理程序設計- 36 -

12、 5.2.3 LED 動態(tài)顯示子程序- 37 - 5.3 捕捉中斷服務程序.- 38 - 5.4 采樣中斷服務程序.- 39 - 5.4.1 轉速計算子程序.- 40 - 5.4.2 A/D 轉換子程序.- 40 - 5.4.3 波形發(fā)生控制程序- 42 - 參考文獻- 45 - 致謝- 47 - 基于 80C196MC 單片機無刷直流電機調速系統(tǒng)硬件設計 基于 80C196MC 單片機直流伺服電機調速系統(tǒng)硬件設計 II 基于基于 80C196MC80C196MC 單片機直流伺服電機調速系統(tǒng)單片機直流伺服電機調速系統(tǒng) 摘要 本文主要論述三相直流伺服電機調速系統(tǒng)的設計方法。主控單元為伺服電機專用

13、 控制芯片 80C196MC，輔以鍵盤、顯示器、檢測電路、功率電路、驅動電路、保護電 路等。直流伺服電機內置 3 個霍爾傳感器，用于檢測轉子的位置，決定電機的換相， 系統(tǒng)根據(jù)該信號計算電機的轉速，用于實現(xiàn)速度反饋控制。 系統(tǒng)給定轉速由鍵盤輸入，并能實時顯示轉速；功率芯片選用性能價格比較高的 快速 MOSFET；功率驅動選用帶保護電路和過流輸出的集成芯片 IR2130，可實現(xiàn)電機 的高頻快速起動；系統(tǒng)還設置了電流采樣電路，與速度反饋電路組成雙閉環(huán)系統(tǒng)，可 以實現(xiàn)電機的快速起動并獲得良好的帶負載性能，達到了設計任務書的要求。 軟件方面根據(jù)直流伺服電動機的組成、脈寬調制和工作原理，結合 80C196

14、MC 的 硬件部分和軟件編程的特點，設計了無刷直流調速系統(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。 關鍵字：直流伺服電動機；16 位單片機；位置傳感器；閉環(huán)系統(tǒng)；MOSFET；功 率驅動 基于 80C196MC 單片機直流伺服電機調速系統(tǒng)硬件設計 III The designations of the BLDCM velocity modulation system based on the 80C196MC single chip microcomputer Abstract This article mainl

15、y discusses the designations of three-phase BLDCM 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 electric circuit, the protectio

16、n 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 the rotational speed of the electrical machinery to realize the velocity-feedback control according to the Hall signal.

17、 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 power actuation selects the integrated chip IR2130 with protection circuit and over-electric curren

18、t output , which can realize the electrical machinerys high- frequency and quick-starting; The system also has established the electric current sampling electric circuit, with the velocity feedback electric circuit constituting the doubling closed- loop system, which can realize the electrical machi

19、nery quick- starting and obtain the good load performance, has met the requirements of the design project. Software is painted as a direct motor of the modulation, a wide and principle, the hardware and software 80c196mc programming, design the system of the dc machinery velocity modulation. in soft

20、ware system software application programs, and the two great and complete system of the main program initialization, led display the functions of the processing procedures with the keyboard. Keywords: Brushless DC Motor; 6bit Single-chip Microcomputer; Position sensors; Closed-loop system; MOSFET; P

21、ower actuation. 基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 1 - 第 1 章 緒論 1.1 直流伺服電動機發(fā)展及現(xiàn)狀 傳統(tǒng)直流電機采用機械機構（電刷）進行換向，因而存在機械摩擦，并由此帶來 電磁噪聲、換向火花、以及壽命短等缺點，再加上制造成本高、維修困難，從而極大 的限制了它的發(fā)展和應用范圍。針對傳統(tǒng)直流電動機的弊病，早在 20 世紀 30 年代就 有人開始研制以電子換向代替機械換向的直流無刷電動機。經(jīng)過幾十年的努力，終于 在 60 年代實現(xiàn)了這一愿望。 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，

22、使永磁電機有了較大發(fā)展。但是釤和鈷的 價格昂貴，限制了永磁無刷電機的前進步伐。直到八十年代初期，價格較低的欽鐵硼 永磁材料研制成功，開創(chuàng)了稀土永磁電機的新紀元，并為其在民品工業(yè)中的應用開辟 了廣闊前景，現(xiàn)已在醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、紡織及家用電器等領域日益普及12。 進入 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 的發(fā)展，逆變裝置也發(fā)生了根本性的變化。這些開關器件本身向著高頻化、大容量、 智能化方向發(fā)展，并出現(xiàn)集半導體開關、信號處理、自我保護等功能為一體的智能功 率模塊（正

23、 M）和大功率集成電路，使直流伺服電動機的關鍵部件之一逆變器的成 本降低，且向高頻化、小型化發(fā)展。同時，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，加上永磁電機研究和開發(fā)經(jīng)驗的 逐步成熟，稀土永磁直流伺服電動機的應用和開發(fā)進入一個新階段，目前正朝著超高 速、高轉矩，高功能化、微型化方向發(fā)展3。 1.2 直流伺服電動機的特點及應用 1.2.1 直流伺服電動機的特點 直流無刷電機是用電子換向代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械換向的一種新型機電一體化電機。它 由一臺永磁同步電動機的本體，一套電子換向開關電路（又稱逆變器）,和轉子位置傳 感器所組成。 直流伺服電動機保持著有刷直流電

24、機的優(yōu)良機械及控制特性，在電磁結構上和有 基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 2 - 刷直流電機一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉子上放置永久磁鋼。直流伺服電動 機的電樞繞組像交流電機的繞組一樣，采用多相形式，經(jīng)由逆變器接到直流電源上， 定子采用位置傳感器實現(xiàn)電子換相來代替有刷直流電機的電刷和換向器，各相逐次通 電產(chǎn)生電流，定子磁場和轉子磁極主磁場相互作用，產(chǎn)生轉矩。 和有刷直流電機相比，直流伺服電動機由于取消了電機的滑動接觸機構，因而消 除了故障的主要根源。轉子上沒有繞組，也就沒有了勵磁損耗，又由于主磁場是恒定 的，因此鐵損也是極小的(在方波電流驅動時，電樞磁勢的軸線是脈

25、動的，會在轉子鐵 心內產(chǎn)生一定的鐵損，采用正弦波電流驅動比方波電流鐵損更小)?？偟恼f來，除了軸 承旋轉產(chǎn)生磨損外，轉子的損耗很小，因而進一步增加了工作的可靠性4 5。 1.2.2 直流伺服電動機的應用 由于直流伺服電動機既具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等一系 列優(yōu)點，又具有直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調速性能好的特點，故在 當今國民經(jīng)濟的各個領域，如醫(yī)療器械、儀表儀器、化工、輕紡以及家用電器等方面 的應用日益普及。直流伺服電動機的應用主要分為以下幾類: 定速驅動機械 一般不需要調速的領域以往大多是采用三相或單相交流異步和同步電機。隨著電 力電子技術的進步，在功率不大于且

26、連續(xù)運行的情況下，為了減少體積，節(jié)省KW10 材料，提高效率和降低能耗，越來越多的電機正被直流伺服電動機逐步取代，這類應 用:有自動門、電梯、水泵、風機等。而在功率較大的場合，由于一次成本和投資較大， 除了永磁電機外還要增加驅動器，因此目前較少有應用。 調速驅動機械 速度需要任意設定和調節(jié)，但控制精度要求不高的調速系統(tǒng)分為兩種:一種是開環(huán) 調速系統(tǒng)，另一種是閉環(huán)調速系統(tǒng)(此時的速度反饋器件多采用低分辨率的脈沖編碼器 或交、直流測速等)。通常采用的電機主要有三種:直流電機、交流異步電機和直流伺服 電動機。這在包裝機械、食品機械、印刷機械、物料輸送機械、紡織機械和交通車輛 中有大量應用67。 調速

27、應用領域最初用得最多的是直流電機，隨著交流調速技術特別是電力電子技 術和控制技術的發(fā)展，交流變頻技術獲得了廣泛應用，變頻器和交流電動機迅速滲透 到原來直流調速系統(tǒng)的絕大多數(shù)應用領域。近幾年來，由于直流伺服電動機體積小、 重量小和高效節(jié)能等一系列優(yōu)點，中小功率的交流變頻系統(tǒng)正逐步被直流伺服電動機 基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 3 - 系統(tǒng)所取代，特別是在紡織機械、印刷機械等原來應用變頻系統(tǒng)較多的領域，而在一 些直接由電池供電的直流電機應用領域，則更多的由直流伺服電動機所取代。 精密控制 伺服電動機在工業(yè)自動化領域的高精度控制中扮演了一個十分重要的角色，應用 場合不同，對

28、伺服電動機的控制性能要求也不盡相同，在實際應用中，伺服電動機有 各種不同的控制形式:轉矩控制、電流控制、速度控制、位置控制。直流伺服電動機由 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與步進電機， 成為其首選的伺服電機之一。目前，掃描儀、攝影機、CD 唱機驅動、醫(yī)療診斷 CT、 計算機硬盤驅動及數(shù)控車床驅動中等都廣泛采用了直流伺服電動機伺服系統(tǒng)用于精密 控制8910。 1.3 課題主要研究內容 本文以高性能的電機專用控制芯片 80C196MC 為控制核心，輔以鍵盤、顯示、檢 測反饋電路，研制三相大功率永磁直流伺服電動機數(shù)字化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制目標為： 1實現(xiàn)電機的轉速輸入與

29、轉速顯示，實現(xiàn)電機轉速的控制； 2實現(xiàn)電流、轉速雙閉環(huán)控制，盡量減小超調量和轉差率； 3控制起動電流的大小，防止起動過程中過流； 4實現(xiàn)電機的正反轉控制， 5設置合理的電路保護 根據(jù)系統(tǒng)要求，本人主要從以下幾個方面進行了研究： 1首先探討了直流伺服電動機的發(fā)展進程。從直流伺服電動機的基本原理出發(fā)， 導出了其等效電路圖和數(shù)學模型。研究了直流伺服電動機的工作原理、驅動方法、運 行特性及控制規(guī)律。 2對單片機的發(fā)展現(xiàn)狀和特點進行探討，對本文中將使用到的 80C196MC 做了重 點論述，并設計基于單片機控制的有位置傳感器控制方案。 3設計了調速系統(tǒng)硬件總體結構，對系統(tǒng)各主要部分的硬件設計進行了詳細的

30、分 析和闡述。根據(jù)系統(tǒng)的硬件設計和所采用的控制策略，調速系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的軟件構成。 4對控制系統(tǒng)整體性能進行了分析，并提出了需要進一步研究的若干問題。 基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 4 - 基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 5 - 第 2 章 直流伺服電動機的工作過程 直流伺服電動機是近幾十年來隨著電力電子技術的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新 型電動機，其基本工作原理是借助反映轉子位置的位置信號，通過驅動電路驅動逆變 電路的功率開關元件，使電樞繞組依一定順序導通，從而在電機氣隙中產(chǎn)生旋轉磁場， 拖動永磁轉子旋轉。隨著轉子的轉動，轉子位置信號依一定規(guī)律變

31、化，從而改變電樞 繞組的通電狀態(tài)，實現(xiàn)直流伺服電動機的機電能量轉換。 2.1 直流伺服電動機基本組成 直流伺服電動機的結構原理圖如圖 2.1 所示。它主要由電動機本體、位置傳感器和 電子開關線路三部分組成。 圖 2.1 直流伺服電動機結構原理圖 2.1.1 電動機本體 直流伺服電動機本體在結構上與永磁同步電機相似，但沒有籠形繞組和其它氣動 裝置。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等） ，轉子由永久磁鋼按一定極 對數(shù)（=2，4，）組成。P2 圖 2.1 中的電動機為三相兩極。三相定子繞組分別與電子開關線路中相應的功率開 關器件相聯(lián)接，在圖 2.1 中的相、相、相繞組分別與功率開關管、AB

32、C41QQ 、相接。位置傳感器負責跟蹤轉子并電動機的轉軸相聯(lián)接。當定子繞組的63QQ25QQ D1 Q1 NPN D4 Q4 NPN D2 Q2 NPN D5 Q5 NPN D3 Q3 NPN D6 Q6 NPN M1 M4 M2 M5 M3 M6 U 31 30 29 R1 BL DCM 上上上 上上上上 上上上上 上上上上 上上上上上 A B C 基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 6 - + i U B H I 某一相通電時，該電流與轉子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉矩，驅 動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子位置信號變換成電信號，控制電子開關線路，從 而使定

33、子各相繞組按一定次序導通，定子相電流隨轉子位置的變化按一定的次序換相。 由于電子開關線路的導通次序是與轉子轉角同步的，因而起到了機械換向器的作用。 2.1.2 轉子位置傳感器 位置傳感器在直流無刷電機中起著檢測轉子磁極位置的作用，安裝在定子線圈的 相應位置上。當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉子磁極所產(chǎn)生的磁場互相作用 而產(chǎn)生轉矩，驅動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子磁極位置變換成電信號，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，使定子相電流隨轉子位置的變 化按一定的次序換向，從而使電機能夠連續(xù)工作。位置傳感器的種類很多，且各具特 點。目前在直流無刷電機中常用的位置傳感器有以下幾

34、種類型： 1電磁式位置傳感器 電磁式位置傳感器是利用電磁效應來實現(xiàn)位置測量。電磁式位置傳感器具有輸出 信號大、工作可靠、壽命長、使用環(huán)境要求不高、適應性強、結構簡單等優(yōu)點。但這 種傳感器的信噪比低，同時其輸出波形為交流，一般需要經(jīng)過整流、濾波后才可使用。 2光電式位置傳感器 光電式位置傳感器利用光電效應制成，由跟隨電機轉子一起旋轉的遮光板和固定 不動的光源及光電管等部件組成。這類傳感器性能比較穩(wěn)定，但存在輸出信號信噪比 較大、光源燈泡壽命短、使用環(huán)境要求高等缺點。 3磁敏式位置傳感器 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體敏感 元件，其基本原理為霍爾效應和磁阻效應。

35、目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構簡單、性能可靠、成 本低，是目前在直流伺服電動機上應用最多的一種位置傳感器?；魻栃韴D如 2.2.1a 所示： R VCC 上 上 上 上 上 上 1 2 3 上 上 上 上 V out 基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 7 - 圖 2.2 a 霍爾效應原理示意圖 圖 2.2 b 霍爾開關應用電路 在長方形半導體薄片上通以電流，當將半導體薄片置于外磁場中，并將其與外 H I 磁場垂直時，則在與電流和磁感應強度 B 構成的平面相垂直的方向上會產(chǎn)生一個電 H I 動勢，稱其為霍

36、爾電動勢，其大小為： H EBIKE HHH 式中，為霍爾元件的靈敏度系數(shù)。 H K 霍爾元件所產(chǎn)生的電動勢很低，在應用時往往需要外接放大器，很不方便。隨著 半導體技術的發(fā)展，將霍爾元件與附加電路封閉為三端模塊，構成霍爾集成電路。 霍爾集成電路有開關型和線性型兩種類型。通常采用開關型霍爾集成電路作為位 置傳感元件。我們通常把開關型霍爾集成電路叫做霍爾開關，其應用電路如圖 2.2.1b 所示。 使用霍爾開關構成位置傳感器通常有兩種形式。第一種方式是將霍爾開關粘貼于 電機端蓋內表面，在靠近霍爾開關并與之有一定間隙處，安裝著與電機軸同軸的永磁 體。第二種是直接將霍爾開關敷貼在定子電樞鐵心表面或繞組端

37、部緊靠鐵心處，利用 電機轉子上永磁體主磁極作為傳感器的永磁體，根據(jù)霍爾開關的輸出信號即可判定轉 子位置。對于兩相導通星形三相六狀態(tài)直流伺服電動機，三個霍爾開關在空間彼此相 隔 120電角度，傳感器永磁體的極弧寬度為 180電角度，這樣，當電機轉子旋轉時， 三個霍爾開關便交替輸出三個寬度為 180電角度、相位互差 120的矩形波信號9。 直流伺服電動機轉子位置傳感器輸出的脈沖信號通過單片機控制器的 CAP 捕獲電 路送入單片機控制器作為轉子位置和速度的反饋信號，當任意一相轉子位置信號發(fā)生 變化時，產(chǎn)生中斷，在中斷處理程序中實現(xiàn)電機換相。在電機轉子每個旋轉周期內霍 爾位置傳感器會產(chǎn)生六個交變信號，

38、因此只要算出兩次信號交變的時間差，就可以由 簡單除法得到電機實際速度值。 2.1.3 電子換向電路 電子換向電路的作用是將位置傳感器檢測到的轉子位置信號進行處理，按一定的 邏輯代碼輸出，觸發(fā)功率開關。由于電子換向線路的導通次序與轉子轉角同步，因而 起到了機械電刷和換向器的換向作用。因此，所謂直流伺服電動機，就其基本結構而 言，可以認為是一個由電子換向電路、永磁式同步電動機以及位置傳感器三者共同所 組成的閉環(huán)系統(tǒng)。 直流無刷電動機的電子換向電路是用來控制電動機定子上各相繞組通電順序和時 基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 8 - 間，主要由功率邏輯控制開關單元和位置傳感器信號

39、處理單元兩個部分組成。功率邏 輯控制開關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系分配給直 流無刷電動機定子上的各相繞組，以便使電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉矩。而各相繞組導 通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號。 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 流伺服電動機的換向器大多由晶閘管組成，由于其關斷要借助于反電動勢或電流過零， 而且晶閘管的開關頻率較低，使得逆變器只能工作在較低頻率范圍內。隨著新型可關 斷全控型器件的發(fā)展，在中小功率的電動機中換向器多由功率 MOSFET

40、 或 IGBT 構成， 具有驅動容易、開關頻率高、可靠性高等諸多優(yōu)點412。 2.2 直流伺服電動機的工作原理 直流伺服電動機的工作原理有刷直流電機由于電刷的換向，使得由永久磁鋼產(chǎn)主 的磁場與電樞繞組通電后產(chǎn)生的磁場在電機運行過程中始終保持垂直從而產(chǎn)生最大轉 矩，使電機運轉。直流伺服電動機的運行原理和有刷直流電機基本相同，即在一個具 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 轉矩，且轉矩只與電樞電流的大小有關。直流伺服電動機的運行還需依靠轉子位置傳 感器檢測出轉子的位置信號，通過換相驅動電路驅動與電樞繞組連接的各功率開關管 的導通與關斷，從而控制定子繞組的通電

41、，在定子上產(chǎn)生旋轉磁場，拖動轉子旋轉。 隨著轉子的轉動，位置傳感器不斷地送出信號，以改變電樞的通電狀態(tài)，使得在同一 磁極下的導體中的電流方向不變。因此，就可產(chǎn)生恒定的轉矩使直流伺服電動機運轉 起來。直流伺服電動機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 控電路的特點是簡單，一個功率開關控制一相的通斷，每個繞組只通電 1/3 的時間，另 外 2/3 時間處于斷開狀態(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。 D1D2D3 M1 M6 M2 M4 M3 M5 U Q3 Q2Q1 D4D5D6 Q6 Q5Q4 L1 L2L3 A BC 基于 80C19 單片

42、機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 9 - 圖 2.3 三相全控橋兩兩導通電路 在圖 2.2 中，電動機的繞組為星形聯(lián)結。、為六個功率器件，起繞1Q2Q6Q 組的開關和驅動作用。同時我們采用兩兩導通方式，所謂兩兩導通方式是指每一個瞬 間有兩個功率管導通，每隔 1/6 周期（60電角度）換相一次，每次換相一個功率管， 每一功率管導通 120電角度。各功率管的導通順序51QQ61QQ62QQ42QQ 。當功率管導通時，電流從管流入 A 相繞組，再從 C43QQ53QQ51QQ51QQ1Q 相繞組流出，經(jīng)管回到電源。二相導通的星形三相六狀態(tài)的導通順序表如表 2.1 所5Q 示。 表 2.1 兩兩導通的

43、導通順序表 時間（電 角度） （ ）C 0 60120180240300360 UVW導通順序 VWUV BG1導通導通 BG2導通導通 BG3導通導通 BG4導通 BG5導通導通導通 BG6導通導通 2.3 直流伺服電動機的數(shù)學模型 方波直流伺服電動機的主要特征是反電動勢為梯形波，包含有較多的高次諧波， 這意味著定子和轉子的互感是非正弦的，并且直流伺服電動機的電感為非線性。因此 在這里采用 dq 變換理論己經(jīng)不是有效的分析方法，因為 dq 方程只適用于氣隙磁場為 正弦分布的電動機。而直接利用電動機原有的相變量來建立數(shù)學模型既簡單又能獲得 較準確的結果。在此，直接采用相變量法，根據(jù)轉子位置，采

44、用分段線性表示感應電 動勢。為簡化數(shù)學模型的建立，在電機模型建立時，認為電機氣隙是均勻的。并作以 下假設： 1定子繞組為 60相帶整距集中繞組，星形連接； 基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 10 - c b a c b a c b a c b a e e e i i i P ML ML ML i i i R R R u u u 00 00 00 00 00 00 2忽略齒槽效應，繞組均勻分布于光滑定子表面； 3轉子上沒有阻尼繞組，電機無阻尼作用； 4磁路不飽和，忽略高次磁勢諧波的影響，忽略磁滯、渦流的影響。 2.3.1 電壓平衡方程 由電機電壓平衡方程 （2.1 ） 對于

45、三相直流伺服電動機，方程可寫成 （2.2 ） 式中： 、為三相定子相電壓； a u b u c u 、為三相定子反電動勢； a e b e c e 、為三相定子相電流； a i b i c i 、為三相定子相電阻； a R b R c R 、為三相定子繞組自感； aa L bb L cc L 、為三相定子繞組間互感； ab L ac L ba L bc L ca L cb L 為微分算子。P 無刷電機的結構決定了在一個電角度內轉子的磁阻不隨轉子位置的變化而變 360 化，并假定三相繞組對稱。則有： aa L bb L cc LL （2.3） ab L ac L ba L bc L ca L c

46、b LM （2.4） a R b R c RR （2.5） 又因為在三相對稱的電機中存在因而，故方0 cba iii0 cba MiMiMi 程經(jīng)整理可得： E d d LRU t i i c b a c b a cccbca bcbbba acabaa c b a c b a e e e i i i P LLL LLL LLL i i i Rc Rb Ra u u u 00 00 00 基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 11 - （2.6 ） 2.3.2 轉矩方程 直流伺服電動機的電磁轉矩方程與普通直流電動機相似，其電磁轉矩大小與磁通 和電流幅值成正比，即 （2.7 ）

47、 其中：為電機的角速度；為電機的極對數(shù)。 n P 在忽略轉動時的粘滯系數(shù)的假設下，無刷電動機的運動方程可寫為： （2.8 ） 其中：為電機的負載轉矩；為電機的轉動慣量。 L TJ 2.3.3 傳遞函數(shù) 直流伺服電動機的運行我和傳統(tǒng)直流電動機基本相同，其動態(tài)結構圖可以采用直 流電動機通用的結構圖，如圖 2.4 所示： 圖 2.4 直流伺服電動機動態(tài)結構圖 由直流伺服電動機動態(tài)結構圖得其傳遞函數(shù)為： （2.9 ） )( ccbbaan e ieieieP T dt d JTT Le R 1 t C )(sU)(sTe )(sTL )(sn SGD2 375)(sI )(sE e C L mm T

48、sT K sU sT K sn 1 )( 1 )( 21 基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 12 - 上式中：K1為電動勢傳遞函數(shù)系數(shù)，為電動勢系數(shù)； e CK/1 1 e C 為轉矩傳遞系數(shù)，；為電動機內阻，為轉矩系數(shù)； 2 K teC CRK/ 2 R t C 為機電時間常數(shù)，為轉子重量，為轉子直徑。 m T tem CCRGDT375/ 2 GD 2.4 直流伺服電動機的調速方法 2.4.1 電勢和調速方法 由直流伺服電動機數(shù)學模型知，直流伺服電動機機械特性方程同一般有刷直流電 動機機械特性方程在形式上完全一致。所以直流伺服電動機的調速方法也和有刷直流 電動機的調速

49、方法相似。有刷直流電動機調速方法包括：改變電機主磁通調速;改變電 樞回路電阻調速；調節(jié)電樞端電壓調速15。直流伺服電動機定子繞組，相電勢幅值由 下式確定： （2.10） 式中 為電勢系數(shù)；為相繞組等效匝數(shù)； 1 N 若考慮線路損耗及電機內部壓降（已歸入） ，而且，導通型逆變器的輸出 R 120 電壓幅值為 ，則電機電勢與外加電壓相平衡， ，即 d UU2/1E （2.11） （2.12） 式中為回路等效電阻，包括電機兩相電阻和管壓降等效電阻。式 2.12 表明，無 R 直流電機的轉速公式與直流電動機的轉速公式十分相似，可證明，當氣隙分布為方波， 電機繞組為整距集中時，直流伺服電動機的轉速公式與

50、直流電機完全一樣。 調節(jié)電樞端電壓調速主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電機額定轉速向下 變速，屬于恒轉矩調速方法。該方法的主要優(yōu)點有：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，都有明顯得調速效果;降壓特性曲線的硬度不 變，低速時由于負載變化引起的轉速波動不大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，調速范圍大；可以平 滑地改變施于電動機的端電壓，從而使轉速平滑地調節(jié)，實現(xiàn)無極調速；電樞端電壓 調速方法調節(jié)過程中能量損耗小。因此這種調速方法被廣泛應用在對起動、制動和調 速性能要求較高的場合。 nen n CN P fNE1 60 2 1 1 60 2N P C n e d UEU 2 1 RI

51、CU dned 2 1 2 1 ne dd C RIU n ) ( 2 1 基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 13 - 調節(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：旋轉變 流機組、靜止可控整流器、直流斬波器或脈寬調制變換器。通過脈寬調制變換器進行 調制的方法又稱為 PWM（Pulse width modulation)調制方法。它是用恒定直流電源或不 可控整流電源供電，利用開關器件來實現(xiàn)通斷控制，將直流電壓斷續(xù)加到負載上，通 過通、斷電時間的變化來改變負載上直流電壓的平均值，將固定直流電源變成平均值 可調的直流電源。 構成直流斬波器的開關器件過去用的較

52、多的是普通晶閘管，它們本身沒有自關斷 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通又能控制其關斷 的全控型器件，如功率晶體管(GTR)，可關斷晶閘管(GTO)、電力場效應管(P-MOSFET)、 絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等。采用全控型器件的 PWM 調速系統(tǒng)，其脈寬調制電路的 開關頻率很高(可達 20K 以上)，因此系統(tǒng)的頻帶寬、響應速度快、動態(tài)抗干擾能力強25 本系統(tǒng)是通過調節(jié)逆變器功率器件的 PWM 觸發(fā)信號的占空比來改變輸入電機的 平均電壓而實現(xiàn)調速的。 2.4.2 電磁轉矩 直流伺服電動機的電磁轉矩可由電機的電磁功率和角速度求得 e P （2.13 ） 將式 2.

53、10、2.11 和式 2.12 代入上式得 dne INT 1 2 （2.14） 2.5 直流伺服電動機雙閉環(huán)系統(tǒng) 2.5.1 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)組成 控制系統(tǒng)的儀器或設備，必然對其直流伺服電動機控制系統(tǒng)都有相應的靜、動態(tài) 性能要求。在一些高、精、尖領域（如航空航天等） ，其對直流伺服電動機控制系統(tǒng)的 性能要求可以說是相當苛刻的。由于直流伺服電動機控制系統(tǒng)轉速靜差率的存在，采 用開環(huán)控制技術不能消除靜差率，不能滿足控制系統(tǒng)穩(wěn)、準、快的三個基本要求，故 在實際工程應用中的直流伺服電動機控制系統(tǒng)都是采用閉環(huán)控制技術實現(xiàn)的10。 直流伺服電動機轉速負反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉 )

54、( RIUP T dde e 基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 14 - 速無靜差，但又不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩，因而常在對動態(tài)性 能要求不高的場合采用。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動、突 加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)控制系統(tǒng)就難以滿足需要。 為了改善直流伺服電動機控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，就很有必要在速度負反饋單閉環(huán) 控制系統(tǒng)的基礎上再引入電流負反饋環(huán)來控制系統(tǒng)動態(tài)過程的電流和轉矩。為了實現(xiàn) 轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電 流，二者之間實行串級聯(lián)接，直流伺服電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 2.5 所示。

55、 圖 2.5 直流伺服電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng) 圖 2.5 中 GT 為驅動控制裝置，V 為功率開關管，、分別為轉速給定電壓和 n U * n U 轉速反饋電壓，、分別為電流給定電壓和電流反饋電壓。這就是說，把轉速調節(jié) i U * i U 器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制功率開關管的觸發(fā)裝 置，進而控制功率開關管的導通與關斷，從而實現(xiàn)對直流伺服電動機轉速、電流或轉 矩的控制24。 2.5.2 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型 從圖 2.5 直流伺服電動機動態(tài)數(shù)學模型中可以看出，直流伺服電動機有兩個輸入量， 一個是外加電壓信號，另一個是負載轉矩；前者是控制輸入量，后者是擾動輸入U

56、L T 量。將擾動輸入量的綜合點移前，并進行等效變換，可得如下直流伺服電動機動態(tài) L T 等效結構圖，如圖 2.6 所示。 )(sTL )(s taa KRJsRsL ) )( 1 )( aat RsLK )(s U 無刷 電機 轉速調節(jié)器電電流流調調節(jié)節(jié)器器 + - + TA V - 內環(huán) * n U n U * i U i U c U d U 外環(huán) 速度計算 轉子位置 傳感器 GT 基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 15 - 圖 2.6 直流伺服電動機動態(tài)等效結構圖 上圖中，為電樞電感()，為電樞電阻()； a LH a R 為負載轉矩，包括電動機軸上輸出轉矩和恒定阻

57、力轉矩()； c TmN 為轉矩系數(shù)，為阻力系數(shù)； t K R 為轉子機械角速度()，J為轉子轉動慣量()；srad /2mkg 要控制功率開關管整流裝置總離不開控制觸發(fā)電路，因此在分析系統(tǒng)時往往把它 們當作一個環(huán)節(jié)來看待。這一環(huán)節(jié)的輸入量是觸發(fā)電路的控制電壓，輸出量是直流 ct U 伺服電動機的外加電壓。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U s K 管裝置存在滯后作用，故功率開關管的觸發(fā)與整流裝置可以看成是一個具有純滯后的 放大環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié)： （2.16） 其動態(tài)結構如圖 2.7 所示： 圖 2.7 功率開關管觸發(fā)和整流裝置動態(tài)結構圖 速度、電流的計算和

58、檢測可以認為是瞬時的，因此它們的放大系數(shù)也就是它們的 傳遞函數(shù)，即 （2.17） （2.18 ） 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)中的相互關系組合起來， 就可以畫出直流伺服電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖，如圖 2.8 所示。圖中 和分別表示轉速和電流調節(jié)器。由于直流伺服電動機的機械特性與有)(sWASR)(sWACR 刷直流電機非常相似，所以其雙閉環(huán)起動過程與有刷直流電機也應該類似。雙閉環(huán)直 流調速系統(tǒng)起動過程的轉速和電流的波形如圖 2.9 所示。 )(sWASR)(sW ACR 1sT K s s aa RsL 1 RJs 1 t K L T n U * n U

59、* i U i U ct U U t K a I 1sT K s s )(sUct)(sU 1)( )( sT K sU sU s s ct )( )( sI sU a i )( )( s sUn 基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 16 - 圖 2.8 直流伺服電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 圖 2.9 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)起動過程的轉速和電流波形圖 n O O t t n t t Idm IdL Id n* III III t4t3t2t1 Idm IdL Id n* III III t4t3t2t1 IdL Id n* III III t4t3t2t1 基于 80C19 單片機伺

60、服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 17 - 第 3 章 調速系統(tǒng)方案確定 3.1 無刷電機樣機參數(shù) 系統(tǒng)中三相直流伺服電動機各參數(shù)為：額定功率，額定電流，15W N P 1.8A N I 額定電壓，額定轉速，電機內阻，繞組電感24V N U3000r/min N n 3.308R ，飛輪力矩，電動勢常數(shù)。0.051HL 252 5 10 N mGD 0.011V/rpm e C 3.2 主控單元 為滿足系統(tǒng)實時性，快速響應性，且方便編程的要求，本系統(tǒng)選用了由 Intel 公司 的 80C196MC 單片機作為系統(tǒng)的主控單元。 3.2.1 80C196MC 單片機簡介 8XC196MC 單片機是美國

61、著名的 Intel 公司推出的最新一代單片機。它在 MCS-96 基礎上，結構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 特別適合于電動機等高速控制領域，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，尤其是高速的處 理能力和對交流電的特殊應用，因此它必將在我國的數(shù)字控制領域廣泛采用，也將帶 來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。同時，它是由 CHMOS 電路構成，功耗低，并具有省 電的工作方式，所以也適于集成于各種電路中長期使用，可靠性極高1112。其主要技 術指標為： （1）工作頻率，16 位數(shù)據(jù)位；MH

62、z168 （2）6 路互補型控制交流電機的 SPWM 波形（P6.0P6.5）和兩路用來控制直流 電機的 PWM 波形（P6.6P6.7） ； （3）工作電壓：（數(shù)字部分） ，（模擬部分） ；工作溫度：VDC5 . 55 . 4VDC5 . 54 C 40C 85 3.2.2 80C196MC 單片機的結構 80C196MC 是專門為電機高速控制所設計的一款 16 位微控制器，它由一個 C196 核心、一個三相波形發(fā)生器 WFG，算術、邏輯運算部分 RALU，寄存器集，內部 A/D 轉換器、事件處理陣列（EPA） 、兩個定時器和一個脈寬調制單元 PWM 等部分構成。 基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 - 18 - 如圖 3.1 所示。 基