1、郵電大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）題 目伺服電機(jī)控制系統(tǒng)專 業(yè)電氣工程與其自動化學(xué)生班級學(xué)號指導(dǎo)教師指導(dǎo)單位自動化學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明2 / 62原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ，是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導(dǎo)教師簽名： 日期：使用

2、授權(quán)說明使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉咳荨Ｗ髡吆灻?日 期：學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的容外，本論文3 / 62不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明

3、確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文使用授權(quán)書學(xué)位論文使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日指導(dǎo)教師評閱書指導(dǎo)教師評閱書4 / 62指導(dǎo)教師評價：指導(dǎo)教師評價：一、撰寫（設(shè)計(jì)）過程1、學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神

4、優(yōu) 良 中 與格 不與格2、學(xué)生掌握專業(yè)知識、技能的扎實(shí)程度 優(yōu) 良 中 與格 不與格3、學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力 優(yōu) 良 中 與格 不與格4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性 優(yōu) 良 中 與格 不與格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況 優(yōu) 良 中 與格 不與格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)？ 優(yōu) 良 中 與格 不與格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂與附件）？ 優(yōu) 良 中 與格 不與格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 與格 不與格2、論文的觀念是否有新

5、意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 與格 不與格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 與格 不與格建議成績：建議成績：優(yōu)優(yōu) 良良 中中 與格與格 不與格不與格（在所選等級前的畫“”）指導(dǎo)教師：指導(dǎo)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(shè)計(jì)）質(zhì)量一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)？ 優(yōu) 良 中 與格 不與格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂與附件）？ 優(yōu) 良 中 與格 不與格二、論文（設(shè)計(jì)）水平二、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義

6、 優(yōu) 良 中 與格 不與格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 與格 不與格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 與格 不與格建議成績：建議成績：優(yōu)優(yōu) 良良 中中 與格與格 不與格不與格（在所選等級前的畫“”）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）與教學(xué)系意見教研室（或答辯小組）與教學(xué)系意見教研室（或答辯小組）評價：教研室（或答辯小組）評價：一、答辯過程一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要點(diǎn)和見解的敘述情況 優(yōu) 良 中 與格 不與格2、對答辯問題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況 優(yōu) 良 中 與格 不與格3、學(xué)生答辯過

7、程中的精神狀態(tài) 優(yōu) 良 中 與格 不與格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)？ 優(yōu) 良 中 與格 不與格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂與附件）？ 優(yōu) 良 中 與格 不與格三、論文（設(shè)計(jì)）水平三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 與格 不與格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 與格 不與格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 與格 不與格評定成績：評定成績：優(yōu)優(yōu) 良良 中中 與格與格 不與格不與格（在所選等級前的畫“”）教研室主任（或答辯小組組長）：教研室主

8、任（或答辯小組組長）： （簽名）年年 月月 日日教學(xué)系意見：教學(xué)系意見：系主任：系主任： （簽名）年年 月月 日日I / 62目錄目錄 I第 1 章緒論- 1 -1.1 直流伺服電動機(jī)發(fā)展與現(xiàn)狀- 1 -1.2 直流伺服電動機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用- 1 -1.2.1 直流伺服電動機(jī)的特點(diǎn)- 1 -1.2.2 直流伺服電動機(jī)的應(yīng)用- 2 -1.3 課題主要研究容- 3 -第 2 章直流伺服電動機(jī)的工作過程- 4 -2.1 直流伺服電動機(jī)基本組成- 4 -2.1.1 電動機(jī)本體- 4 -2.1.2 轉(zhuǎn)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(jī)的工作原理- 7 -2.3

9、直流伺服電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型- 8 -2.3.1 電壓平衡方程- 8 -2.3.2 轉(zhuǎn)矩方程- 9 -2.3.3 傳遞函數(shù)- 10 -2.4 直流伺服電動機(jī)的調(diào)速方法- 10 -2.4.1 電勢和調(diào)速方法- 10 -2.4.2 電磁轉(zhuǎn)矩- 11 -2.5 直流伺服電動機(jī)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(xué)模型- 13 -第 3 章調(diào)速系統(tǒng)方案確定- 15 -3.1 無刷電機(jī)樣機(jī)參數(shù)- 15 -3.2 主控單元- 15 -3.2.1 80C196MC 單片機(jī)簡介- 15 -3.2.2 80C196MC 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)- 15 -3.2.2

10、80C196MC 單片機(jī)的特點(diǎn)- 17 -3.3 系統(tǒng)的組成- 18 -第 4 章基于單片機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)- 19 -4.1 供電電源設(shè)計(jì)- 19 -4.2 檢測電路設(shè)計(jì)- 20 -4.2.1 位置檢測- 20 -4.2.2 整形電路- 22 -4.2.3 正反轉(zhuǎn)控制- 22 -4.2.4 電流檢測電路- 23 -4.3 主功率和驅(qū)動電路- 24 -4.3.1 主功率電路- 24 -4.3.2 功率驅(qū)動電路- 26 -4.4 過流過壓保護(hù)電路- 29 -II / 624.4.1 過流保護(hù)電路- 29 -4.4.2 過壓、欠壓保護(hù)電路- 30 -4.5 鍵盤與顯示電路- 30 -4.5.1

11、鍵盤電路- 30 -4.5.2 顯示電路- 31 -第 5 章基于單片機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)- 33 -5.1 程序設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)- 36 -5.2.3 LED 動態(tài)顯示子程序- 37 -5.3 捕捉中斷服務(wù)程序- 38 -5.4 采樣中斷服務(wù)程序- 39 -5.4.1 轉(zhuǎn)速計(jì)算子程序- 40 -5.4.2 A/D 轉(zhuǎn)換子程序- 40 -5.4.3 波形發(fā)生控制程序- 42 -參考文獻(xiàn)- 45 -致- 47 -I / 62基于基于 80C196MC80C196MC 單片機(jī)直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)單片機(jī)直流伺服

12、電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)摘要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、檢測電路、功率電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路等。直流伺服電機(jī)置 3 個霍爾傳感器，用于檢測轉(zhuǎn)子的位置，決定電機(jī)的換相，系統(tǒng)根據(jù)該信號計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用于實(shí)現(xiàn)速度反饋控制。系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速由鍵盤輸入，并能實(shí)時顯示轉(zhuǎn)速；功率芯片選用性能價格比較高的快速 MOSFET；功率驅(qū)動選用帶保護(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；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。軟件

13、方面根據(jù)直流伺服電動機(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。關(guān)鍵字：直流伺服電動機(jī)；16 位單片機(jī)；位置傳感器；閉環(huán)系統(tǒng)；MOSFET；功率驅(qū)動 TheThe designationsdesignations ofof thethe BLDCMBLDCM velocityvelocity modulationmodulation systemsystem basedbased onon thethe 80C196MC

14、80C196MC singlesingle chipchip microcomputermicrocomputerAbstract This article mainly 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 electr

15、ic circuit, the power electric circuit, actuates the 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 the rotational speed of the electri

16、cal machinery to realize the velocity-II / 62feedback control according to the Hall signal. 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 ac

17、tuation selects the integrated chip IR2130 with protection circuit and over-electric current 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 cir

18、cuit constituting the doubling closed-loop system, which can realize the electrical machinery 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

19、80c196mc programming, 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 the processing procedures with the keyboard.Keywords:Keywords:Brus

20、hlessDCMotor; 6bit Single-chip Microcomputer; Position sensors; Closed-loop system; MOSFET; Power actuation.- 1 - / 62第 1 章 緒論1.1 直流伺服電動機(jī)發(fā)展與現(xiàn)狀傳統(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、以與壽命短等缺點(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)用圍。針對傳統(tǒng)直流電動機(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機(jī)。經(jīng)過幾十年的努力，終于在60 年代實(shí)現(xiàn)

21、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，高矯頑力以與高磁能積等優(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、紡織與家用電器等領(lǐng)域日益普與12。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，以與微處理器、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

22、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，使直流伺服電動機(jī)的關(guān)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(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機(jī)的應(yīng)用和開發(fā)進(jìn)入一個新階段，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。1.2 直流伺服電動機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用1.2.1 直流伺服電動機(jī)的特點(diǎn)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)。它由一臺永磁同步電動機(jī)的本體，一套電

23、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。直流伺服電動機(jī)保持著有刷直流電機(jī)的優(yōu)良機(jī)械與控制特性，在電磁結(jié)構(gòu)上和有- 2 - / 62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。和有刷直流電機(jī)相比，直流伺服電動機(jī)由于取消了電機(jī)的滑動接觸機(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

24、驅(qū)動時，電樞磁勢的軸線是脈動的，會在轉(zhuǎn)子鐵心產(chǎn)生一定的鐵損，采用正弦波電流驅(qū)動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45。1.2.2 直流伺服電動機(jī)的應(yīng)用由于直流伺服電動機(jī)既具有交流電動機(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)，又具有直流電動機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵磁損耗以與調(diào)速性能好的特點(diǎn)，故在當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，如醫(yī)療器械、儀表儀器、化工、輕紡以與家用電器等方面的應(yīng)用日益普與。直流伺服電動機(jī)的應(yīng)用主要分為以下幾類:定速驅(qū)動機(jī)械一般不需要調(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

25、且連續(xù)運(yùn)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(jī)正被直流伺服電動機(jī)逐步取代，這類應(yīng)用:有自動門、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)動器，因此目前較少有應(yīng)用。調(diào)速驅(qū)動機(jī)械速度需要任意設(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(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67。調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域最初用得最

26、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，由于直流伺服電動機(jī)體積小、重量小和高效節(jié)能等一系列優(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機(jī)- 3 - / 62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機(jī)所取代。精密控制伺服電動機(jī)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的高精度控制中扮演了一個十分重要的角色，應(yīng)用場合不同，對伺服電動機(jī)的控制性能要求也不盡一樣，在實(shí)際應(yīng)用中，伺服電動機(jī)有各種不同的控制形

27、式:轉(zhuǎn)矩控制、電流控制、速度控制、位置控制。直流伺服電動機(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、醫(yī)療診斷 CT、計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動與數(shù)控車床驅(qū)動中等都廣泛采用了直流伺服電動機(jī)伺服系統(tǒng)用于精密控制8910。1.3 課題主要研究容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、檢測反饋電路，研制三相大功率永磁直流伺服電動機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制目標(biāo)為：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；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；3控制起動電流的

28、大小，防止起動過程中過流；4實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，5設(shè)置合理的電路保護(hù)根據(jù)系統(tǒng)要求，本人主要從以下幾個方面進(jìn)行了研究：1首先探討了直流伺服電動機(jī)的發(fā)展進(jìn)程。從直流伺服電動機(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。研究了直流伺服電動機(jī)的工作原理、驅(qū)動方法、運(yùn)行特性與控制規(guī)律。2對單片機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)進(jìn)行探討，對本文中將使用到的 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。3設(shè)計(jì)了調(diào)速系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)，對系統(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)各個環(huán)節(jié)的軟件構(gòu)成。4對控制系統(tǒng)整體性能進(jìn)行了分析，并提出了需

29、要進(jìn)一步研究的若干問題。- 4 - / 62第 2 章 直流伺服電動機(jī)的工作過程直流伺服電動機(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機(jī)，其基本工作原理是借助反映轉(zhuǎn)子位置的位置信號，通過驅(qū)動電路驅(qū)動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，拖動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子位置信號依一定規(guī)律變化，從而改變電樞繞組的通電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)直流伺服電動機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。2.1 直流伺服電動機(jī)基本組成直流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 2.1 所示。它主要由電動機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。圖 2.1 直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖2.1.

30、1 電動機(jī)本體直流伺服電動機(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D1Q1NPND4Q4NPND2Q2NPND5Q5NPND3Q3NPND6Q6NPNM1M4M2M5M3M6U313029R1BL DCM上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上ABC- 5 - / 62 +iUBHI對數(shù)（=2，4，）組成。P2圖 2.1 中的電動機(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)管、ABC41QQ、相接。位置傳感器負(fù)責(zé)跟蹤轉(zhuǎn)子并電動

31、機(jī)的轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。當(dāng)定子繞組的63QQ25QQ某一相通電時，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)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子位置信號變換成電信號，控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)ǎㄗ酉嚯娏麟S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。2.1.2 轉(zhuǎn)子位置傳感器位置傳感器在直流無刷電機(jī)中起著檢測轉(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，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，去控制電子換向線路，

32、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)中常用的位置傳感器有以下幾種類型：1電磁式位置傳感器電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來實(shí)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(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(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的光源與光電管等部件組成。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

33、燈泡壽命短、使用環(huán)境要求高等缺點(diǎn)。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(dǎo)體敏感元件，其基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。目前常見的磁敏式傳感器有霍爾元件、霍爾集成電路、磁敏電阻器與磁敏二極管等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：- 6 - / 62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)體薄片置于外磁場中，并將其與外HI磁場垂直時，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產(chǎn)生一個電

34、HI動勢，稱其為霍爾電動勢，其大小為：HEBIKEHHH式中，為霍爾元件的靈敏度系數(shù)。HK霍爾元件所產(chǎn)生的電動勢很低，在應(yīng)用時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?；魻柤呻娐酚虚_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。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

35、，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子上永磁體主磁極作為傳感器的永磁體，根據(jù)霍爾開關(guān)的輸出信號即可判定轉(zhuǎn)子位置。對于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)直流伺服電動機(jī)，三個霍爾開關(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，三個霍爾開關(guān)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(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的脈沖信號通過單片機(jī)控制器的 CAP 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，當(dāng)任意一相轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)電機(jī)換相。在電機(jī)轉(zhuǎn)子每個旋轉(zhuǎn)周期霍爾位置傳感器會產(chǎn)生六個交變信號，因此只要算出兩次信號交變的時間差

36、，就可以由簡單除法得到電機(jī)實(shí)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(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行處理，按一定的- 7 - / 62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，所謂直流伺服電動機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一個由電子換向電路、永磁式同步電動機(jī)以與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(jī)的電子換向電路是用來控制電動機(jī)定子上各相繞組通電順序和時間，主要由功率邏輯控制開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩個部分組成。功率邏輯控制開關(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

37、分配給直流無刷電動機(jī)定子上的各相繞組，以便使電動機(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(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)斷要借助于反電動勢或電流過零，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圍。隨著新型可關(guān)斷全控型器件的發(fā)展，在中小功率的電動機(jī)中換向器多由功率 MOSFET 或 IGBT 構(gòu)成，具有驅(qū)動容易、開關(guān)頻率高、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)412。2.2 直流伺服電動機(jī)的工作原理直流伺服

38、電動機(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)。直流伺服電動機(jī)的運(yùn)行原理和有刷直流電機(jī)基本一樣，即在一個具有恒定磁通密度分布的磁極下，保證電樞繞組入的電流總量恒定，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)。直流伺服電動機(jī)的運(yùn)行還需依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測出轉(zhuǎn)子的位置信號，通過換相驅(qū)動電路驅(qū)動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，拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(dǎo)體中的電流方向

39、不變。因此，就可產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩使直流伺服電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來。直流伺服電動機(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，一個功率開關(guān)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。- 8 - / 62圖 2.3 三相全控橋兩兩導(dǎo)通電路在圖 2.2 中，電動機(jī)的繞組為星形聯(lián)結(jié)。、為六個功率器件，起繞1Q2Q6Q組的開關(guān)和驅(qū)動作用。同時我們采用兩兩導(dǎo)通方式，所謂兩兩導(dǎo)通方式是指每一個瞬間有兩個功率管導(dǎo)通，每隔 1/6 周期（60電角度）換相一次，每次換相一個功率管，每一功率管導(dǎo)通

40、 120電角度。各功率管的導(dǎo)通順序51QQ61QQ62QQ42QQ。當(dāng)功率管導(dǎo)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(dǎo)通的星形三相六狀態(tài)的導(dǎo)通順序表如表 2.1 所5Q示。表 2.1 兩兩導(dǎo)通的導(dǎo)通順序表時間（電角度） （）C0 60 120180240300 360UVW導(dǎo)通順序VWUVBG1導(dǎo)通導(dǎo)通BG2導(dǎo)通導(dǎo)通BG3導(dǎo)通導(dǎo)通BG4導(dǎo)通BG5導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通BG6導(dǎo)通導(dǎo)通2.3 直流伺服電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型方波直流伺服電動機(jī)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(zhuǎn)子的互感是非正弦的，并且直流伺服電動機(jī)的

41、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)?dq 方程只適用于氣隙磁場為- 9 - / 62正弦分布的電動機(jī)。而直接利用電動機(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)電動勢。為簡化數(shù)學(xué)模型的建立，在電機(jī)模型建立時，認(rèn)為電機(jī)氣隙是均勻的。并作以下假設(shè)：1定子繞組為 60相帶整距集中繞組，星形連接；2忽略齒槽效應(yīng)，繞組均勻分布于光滑定子表面；3轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，電機(jī)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(jī)電壓平衡方程（2.1）對于三相

42、直流伺服電動機(jī)，方程可寫成（2.2）式中：、為三相定子相電壓；aubucu、為三相定子反電動勢；aebece、為三相定子相電流；aibici、為三相定子相電阻；aRbRcR、為三相定子繞組自感；aaLbbLccL、為三相定子繞組間互感；abLacLbaLbcLcaLcbL為微分算子。P無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)決定了在一個電角度轉(zhuǎn)子的磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，360并假定三相繞組對稱。則有： aaLbbLccLL（2.3） abLacLbaLbcLcaLcbLM（2.4） aRbRcRR（2.5）EddLRUtiicbacbacccbcabcbbbaacabaacbacbaeeeiiiPLLLLLLL

43、LLiiiRcRbRauuu000000- 10 - / 62cbacbacbacbaeeeiiiPMLMLMLiiiRRRuuu000000000000又因?yàn)樵谌鄬ΨQ的電機(jī)中存在因而，故方0cbaiii0cbaMiMiMi程經(jīng)整理可得：（2.6）2.3.2 轉(zhuǎn)矩方程直流伺服電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程與普通直流電動機(jī)相似，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流幅值成正比，即（2.7）其中：為電機(jī)的角速度；為電機(jī)的極對數(shù)。nP在忽略轉(zhuǎn)動時的粘滯系數(shù)的假設(shè)下，無刷電動機(jī)的運(yùn)動方程可寫為：（2.8）其中：為電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量。LTJ2.3.3 傳遞函數(shù)直流伺服電動機(jī)的運(yùn)行我和傳統(tǒng)直流電動機(jī)基本一樣，其

44、動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以采用直流電動機(jī)通用的結(jié)構(gòu)圖，如圖 2.4 所示：圖 2.4 直流伺服電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由直流伺服電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖得其傳遞函數(shù)為：（2.9）)(ccbbaaneieieiePTdtdJTTLeR1tC)(sU)(sTe)(sTL)(snSGD2375)(sI)(sEeCLmmTsTKsUsTKsn1)(1)(21- 11 - / 62上式中：K1為電動勢傳遞函數(shù)系數(shù)，為電動勢系數(shù)；eCK/11eC為轉(zhuǎn)矩傳遞系數(shù)，；為電動機(jī)阻，為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；2KteCCRK/2RtC為機(jī)電時間常數(shù)，為轉(zhuǎn)子重量，為轉(zhuǎn)子直徑。mTtemCCRGDT375/2GD2.4 直流伺服電動機(jī)的調(diào)速方法2.4.1 電

45、勢和調(diào)速方法由直流伺服電動機(jī)數(shù)學(xué)模型知，直流伺服電動機(jī)機(jī)械特性方程同一般有刷直流電動機(jī)機(jī)械特性方程在形式上完全一致。所以直流伺服電動機(jī)的調(diào)速方法也和有刷直流電動機(jī)的調(diào)速方法相似。有刷直流電動機(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。直流伺服電動機(jī)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)；1N若考慮線路損耗與電機(jī)部壓降（已歸入） ，而且，導(dǎo)通型逆變器的輸出電R120壓幅值為 ，則電機(jī)電勢與外加電壓相平衡， ，即dUU2/1E （2.11）（2.12）式中為回路等效電阻，包括電機(jī)兩相電阻和管壓降等效電阻。式 2.12 表

46、明，R無直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式與直流電動機(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，直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式與直流電機(jī)完全一樣。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不變，低速時由于負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速波動不大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，調(diào)速圍大；可以平滑地改變施于電動機(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)用在對起動、制動和調(diào)速nenn

47、CNPfNE160211602NPCnedUEU21RICUdned2121neddCRIUn)(21- 12 - / 62性能要求較高的場合。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)制的方法又稱為 PWM（Pulse widthmodulation)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。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

48、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、動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)25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。2.4.2 電磁轉(zhuǎn)矩直流伺服電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可由電機(jī)的電磁功率和角速度求得eP（2.13）將式 2.10、2.11 和式 2.12 代入上

49、式得 dneINT12（2.14）2.5 直流伺服電動機(jī)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(shè)備，必然對其直流伺服電動機(jī)控制系統(tǒng)都有相應(yīng)的靜、動態(tài)性能要求。在一些高、精、尖領(lǐng)域（如航空航天等） ，其對直流伺服電動機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求可以說是相當(dāng)苛刻的。由于直流伺服電動機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速靜差率的存在，采用開環(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)、快的三個基本要求，故在實(shí)際工程應(yīng)用中的直流伺服電動機(jī)控制系統(tǒng)都是采用閉環(huán)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的10。)(RIUPTddee- 13 - / 62直流伺服電動機(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

50、按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)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(fù)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(jī)控制系統(tǒng)的動態(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)行串級聯(lián)接，直流伺服電動機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 2.5 所示。圖 2.5 直流伺服電動機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)圖 2.5 中GT為驅(qū)動控制裝置，V為功率開關(guān)管，、分別為轉(zhuǎn)速給定電壓和nU*nU轉(zhuǎn)速反饋

51、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)iU*iU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)對直流伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速、電流或轉(zhuǎn)矩的控制24。2.5.2 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型從圖 2.5 直流伺服電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型中可以看出，直流伺服電動機(jī)有兩個輸入量，一個是外加電壓信號，另一個是負(fù)載轉(zhuǎn)矩；前者是控制輸入量，后者是擾動ULT輸入量。將擾動輸入量的綜合點(diǎn)移前，并進(jìn)行等效變換，可得如下直流伺服電動機(jī)LT動態(tài)等效結(jié)構(gòu)圖，如圖 2.6 所示。)(sTL)(staaKRJsRsL)(1)(aatRsLK)(

52、sU無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電電流流調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器+-+TAV-內(nèi)環(huán)*nUnU*iUiUcUdU外環(huán)速度計(jì)算轉(zhuǎn)子位置傳感器GT- 14 - / 62圖 2.6 直流伺服電動機(jī)動態(tài)等效結(jié)構(gòu)圖上圖中，為電樞電感()，為電樞電阻()；aLHaR為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，包括電動機(jī)軸上輸出轉(zhuǎn)矩和恒定阻力轉(zhuǎn)矩()；cTmN 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，為阻力系數(shù)；tKR為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度()，J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量()；srad /2mkg 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)時往往把它們當(dāng)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ctU伺服電動機(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

53、功率開關(guān)UsK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(jié)構(gòu)如圖 2.7 所示：圖 2.7 功率開關(guān)管觸發(fā)和整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖速度、電流的計(jì)算和檢測可以認(rèn)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(guān)系組合起來，就可以畫出直流伺服電動機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(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。由于直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性與有)(sWASR)(sWACR刷直流電機(jī)非常相似，所以其雙閉環(huán)

54、起動過程與有刷直流電機(jī)也應(yīng)該類似。雙閉環(huán)直)(sWASR)(sWACR1sTKssaaRsL1 RJs1tKLTnU*nU*iUiUctUUtKaI1sTKss)(sUct)(sU1)()(sTKsUsUssct)()(sIsUai)()(ssUn- 15 - / 62流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流的波形如圖 2.9 所示。圖 2.8 直流伺服電動機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖圖 2.9 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形圖第 3 章 調(diào)速系統(tǒng)方案確定3.1 無刷電機(jī)樣機(jī)參數(shù)系統(tǒng)中三相直流伺服電動機(jī)各參數(shù)為：額定功率，額定電流，15WNP 1.8ANI額定電壓，額定轉(zhuǎn)速，電機(jī)阻，繞組電感24VNU3

55、000r/minNn 3.308R ，飛輪力矩，電動勢常數(shù)。0.051HL 2525 10 N mGD 0.011V/rpmeC nOOttnttIdmIdLIdn*IIIIIIt4t3t2t1IdmIdLIdn*IIIIIIt4t3t2t1IdLIdn*IIIIIIt4t3t2t1- 16 - / 623.2 主控單元為滿足系統(tǒng)實(shí)時性，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。3.2.1 80C196MC 單片機(jī)簡介8XC196MC 單片機(jī)是美國著名的 Intel 公司推出的最新一代單片機(jī)。它在 MCS-96 基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)和

56、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(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)效益和社會效益。同時，它是由 CHMOS 電路構(gòu)成，功耗低，并具有省電的工作方式，所以也適于集成于各種電路中長期使用，可靠性極高1112。其主要技術(shù)指標(biāo)為：（1）工作頻率，16 位數(shù)據(jù)位；MHz168（2）6 路互補(bǔ)型控制交流電機(jī)的 SPWM 波形（P6.0P6.5）和兩路用來控制直流

57、電機(jī)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 . 54C40C853.2.2 80C196MC 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)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 C196 核心、一個三相波形發(fā)生器 WFG，算術(shù)、邏輯運(yùn)算部分 RALU，寄存器集，部 A/D 轉(zhuǎn)換器、事件處理陣列（EPA） 、兩個定時器和一個脈寬調(diào)制單元 PWM 等部分構(gòu)成。如圖 3.1 所示。A/D轉(zhuǎn)換器S/HMUX端口 0/1488字節(jié)寄存器陣列微指令處理器T2 CART定時器2定時器1ALU中斷控制器存儲器

58、控制器外部事件處理器看門狗電路16K內(nèi)部存儲器事件處理陣列端口 2端口 62 PWM6SPWM波形發(fā)生器A/D端口EPA端口波形端口EXTINT控制信號端口數(shù)據(jù)/地址總線地址總線基準(zhǔn)電壓輸入模擬地非屏蔽中斷CPU時鐘發(fā)生器頻率輸入- 17 - / 62圖 3.1 80C196MC 原理框圖80C196MC 的寄存器集包括 512 個字節(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累加器而易產(chǎn)生的瓶頸效應(yīng)；其高 2

59、56 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，因而編程容易，執(zhí)行速度高。80C196MC 的特殊功能寄存器 SFR 除了有 24 個在寄存器集低端外，其余大部分都位于存儲空間 1F00H1FFFH。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。80C196MC 的晶振頻率可達(dá)到，其執(zhí)行速度很快，同時其部帶有 13 路 8 位MHz16/10 位的高速 A/D 轉(zhuǎn)換器與可柔性化變換的 8 位/16 位總線結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制響應(yīng)的快速性。3-Phase Complementary Wavef

60、orm 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 有三個同步的 PWM 模塊，每個模塊包含一個相位比較器，一個無信號時間發(fā)生器和一對可編程的輸出。WFG 可以產(chǎn)生獨(dú)立的、互補(bǔ)的三對 PWM 波形，但它們有共同的載波頻率、無信號時間和操作方式。此六路 SPWM 信號可通過 P6 口直接輸出，每個引腳的電流可達(dá) 20mA。CPU 可以通過改變其 PWM 信號的占空比來加以干預(yù)。通過設(shè)置 SPWM 信號發(fā)生器的重裝寄存器來設(shè)定頻率，一旦該常數(shù)值確定，WFG 將自動輸出頻率與此常數(shù)相對應(yīng)的 S