伺服电机控制系统毕业论文设计

南京邮电大学毕业设计（论文）题目伺服电机控制系统专业电气工程及其自动化学生姓名ZHDONG班级学号B07050405指导教师指导单位自动化学院日期2011年3月至2011年6月目录目录I第1章绪论111直流伺服电动机发展及现状112直流伺服电动机的特点及应用1121直流伺服电动机的特点1122直流伺服电动机的应用213课题主要研究内容3第2章直流伺服电动机的工作过程421直流伺服电动机基本组成4211电动机本体4212转子位置传感器5213电子换向电路622直流伺服电动机的工作原理723直流伺服电动机的数学模型8231电压平衡方程8232转矩方程9233传递函数1024直流伺服电动机的调速方法10241电势和调速方法10242电磁转矩1125直流伺服电动机双闭环系统12251双闭环控制系统组成12252双闭环控制系统动态数学模型13第3章调速系统方案确定1531无刷电机样机参数1532主控单元1532180C196MC单片机简介1532280C196MC单片机的结构1532280C196MC单片机的特点1733系统的组成18第4章基于单片机的调速系统硬件设计1941供电电源设计1942检测电路设计20421位置检测20422整形电路22423正反转控制22424电流检测电路2343主功率和驱动电路24431主功率电路24432功率驱动电路2644过流过压保护电路29441过流保护电路29442过压、欠压保护电路3045键盘与显示电路30451键盘电路30452显示电路31第5章基于单片机的调速系统软件设计3351程序设计思想3352主程序33521初始化程序34522键处理程序设计36523LED动态显示子程序3753捕捉中断服务程序3854采样中断服务程序39541转速计算子程序40542A/D转换子程序40543波形发生控制程序42参考文献45致谢47基于80C196MC单片机直流伺服电机调速系统摘要本文主要论述三相直流伺服电机调速系统的设计方法。主控单元为伺服电机专用控制芯片80C196MC，辅以键盘、显示器、检测电路、功率电路、驱动电路、保护电路等。直流伺服电机内置3个霍尔传感器，用于检测转子的位置，决定电机的换相，系统根据该信号计算电机的转速，用于实现速度反馈控制。系统给定转速由键盘输入，并能实时显示转速；功率芯片选用性能价格比较高的快速MOSFET；功率驱动选用带保护电路和过流输出的集成芯片IR2130，可实现电机的高频快速起动；系统还设置了电流采样电路，与速度反馈电路组成双闭环系统，可以实现电机的快速起动并获得良好的带负载性能，达到了设计任务书的要求。软件方面根据直流伺服电动机的组成、脉宽调制和工作原理，结合80C196MC的硬件部分和软件编程的特点，设计了无刷直流调速系统的软件。系统软件分为主程序和中断程序两大主块，主程序完成系统的初始化，LED显示器扫描和键盘功能处理程序等部分。关键字直流伺服电动机；16位单片机；位置传感器；闭环系统；MOSFET；功率驱动THEDESIGNATIONSOFTHEBLDCMVELOCITYMODULATIONSYSTEMBASEDONTHE80C196MCSINGLECHIPMICROCOMPUTERABSTRACTTHISARTICLEMAINLYDISCUSSESTHEDESIGNATIONSOFTHREEPHASEBLDCMVELOCITYMODULATIONSYSTEMTHEMASTERCONTROLLEDUNITISBLDCMSPECIALPURPOSECONTROLCHIP80C196MC,ASSISTANCESWITHTHEKEYBOARD,THEMONITOR,EXAMINESTHEELECTRICCIRCUIT,THEPOWERELECTRICCIRCUIT,ACTUATESTHEELECTRICCIRCUIT,THEPROTECTIONCIRCUITANDSOONTHEBLDCMWITH3HALLSENSORSESTABLISHINGINSIDE,TOEXAMTHEPOSITIONOFTHEROTORANDDECIDETHEPHASECHANGEOFELECTRICALMACHINERY,THESYSTEMCALCULATESTHEROTATIONALSPEEDOFTHEELECTRICALMACHINERYTOREALIZETHEVELOCITYFEEDBACKCONTROLACCORDINGTOTHEHALLSIGNALTHEROTATIONALSPEEDOFTHESYSTEMISOFFEREDBYTHEKEYBOARDENTRY,ANDTHEREALTIMEROTATIONALSPEEDCANBEDISPLAYTHEPOWERCHIPSELECTSHIGHERPERFORMANCETOPRICERATIOANDFASTERMOSFETTHEPOWERACTUATIONSELECTSTHEINTEGRATEDCHIPIR2130WITHPROTECTIONCIRCUITANDOVERELECTRICCURRENTOUTPUT,WHICHCANREALIZETHEELECTRICALMACHINERYSHIGHFREQUENCYANDQUICKSTARTINGTHESYSTEMALSOHASESTABLISHEDTHEELECTRICCURRENTSAMPLINGELECTRICCIRCUIT,WITHTHEVELOCITYFEEDBACKELECTRICCIRCUITCONSTITUTINGTHEDOUBLINGCLOSEDLOOPSYSTEM,WHICHCANREALIZETHEELECTRICALMACHINERYQUICKSTARTINGANDOBTAINTHEGOODLOADPERFORMANCE,HASMETTHEREQUIREMENTSOFTHEDESIGNPROJECTSOFTWAREISPAINTEDASADIRECTMOTOROFTHEMODULATION,AWIDEANDPRINCIPLE,THEHARDWAREANDSOFTWARE80C196MCPROGRAMMING,DESIGNTHESYSTEMOFTHEDCMACHINERYVELOCITYMODULATIONINSOFTWARESYSTEMSOFTWAREAPPLICATIONPROGRAMS,ANDTHETWOGREATANDCOMPLETESYSTEMOFTHEMAINPROGRAMINITIALIZATION,LEDDISPLAYTHEFUNCTIONSOFTHEPROCESSINGPROCEDURESWITHTHEKEYBOARDKEYWORDSBRUSHLESSDCMOTOR6BITSINGLECHIPMICROCOMPUTERPOSITIONSENSORSCLOSEDLOOPSYSTEMMOSFETPOWERACTUATION第1章绪论11直流伺服电动机发展及现状传统直流电机采用机械机构（电刷）进行换向，因而存在机械摩擦，并由此带来电磁噪声、换向火花、以及寿命短等缺点，再加上制造成本高、维修困难，从而极大的限制了它的发展和应用范围。针对传统直流电动机的弊病，早在20世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替机械换向的直流无刷电动机。经过几十年的努力，终于在60年代实现了这一愿望。在此之后，又相继出现了新型永磁材料钐钴、钐铝、钦铁硼，它们具有高剩磁密度，高矫顽力以及高磁能积等优异磁性能，使永磁电机有了较大发展。但是钐和钴的价格昂贵，限制了永磁无刷电机的前进步伐。直到八十年代初期，价格较低的钦铁硼永磁材料研制成功，开创了稀土永磁电机的新纪元，并为其在民品工业中的应用开辟了广阔前景，现已在医疗器械、仪器仪表、化工、纺织及家用电器等领域日益普及12。进入90年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、MCT等相继问世，以及微处理器、大规模集成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性的变化。这些开关器件本身向着高频化、大容量、智能化方向发展，并出现集半导体开关、信号处理、自我保护等功能为一体的智能功率模块（正M）和大功率集成电路，使直流伺服电动机的关键部件之一逆变器的成本降低，且向高频化、小型化发展。同时，永磁材料的性能不断提高和完善，特别是钕、铁、硼永磁材体的热稳定性和耐腐蚀性的改善，加上永磁电机研究和开发经验的逐步成熟，稀土永磁直流伺服电动机的应用和开发进入一个新阶段，目前正朝着超高速、高转矩，高功能化、微型化方向发展3。12直流伺服电动机的特点及应用121直流伺服电动机的特点直流无刷电机是用电子换向代替传统的机械换向的一种新型机电一体化电机。它由一台永磁同步电动机的本体，一套电子换向开关电路（又称逆变器）,和转子位置传感器所组成。直流伺服电动机保持着有刷直流电机的优良机械及控制特性，在电磁结构上和有刷直流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永久磁钢。直流伺服电动机的电枢绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上，定子采用位置传感器实现电子换相来代替有刷直流电机的电刷和换向器，各相逐次通电产生电流，定子磁场和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩。和有刷直流电机相比，直流伺服电动机由于取消了电机的滑动接触机构，因而消除了故障的主要根源。转子上没有绕组，也就没有了励磁损耗，又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的在方波电流驱动时，电枢磁势的轴线是脉动的，会在转子铁心内产生一定的铁损，采用正弦波电流驱动比方波电流铁损更小。总的说来，除了轴承旋转产生磨损外，转子的损耗很小，因而进一步增加了工作的可靠性45。122直流伺服电动机的应用由于直流伺服电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好的特点，故在当今国民经济的各个领域，如医疗器械、仪表仪器、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。直流伺服电动机的应用主要分为以下几类定速驱动机械一般不需要调速的领域以往大多是采用三相或单相交流异步和同步电机。随着电力电子技术的进步，在功率不大于且连续运行的情况下，为了减少体积，节省KW10材料，提高效率和降低能耗，越来越多的电机正被直流伺服电动机逐步取代，这类应用有自动门、电梯、水泵、风机等。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁电机外还要增加驱动器，因此目前较少有应用。调速驱动机械速度需要任意设定和调节，但控制精度要求不高的调速系统分为两种一种是开环调速系统，另一种是闭环调速系统此时的速度反馈器件多采用低分辨率的脉冲编码器或交、直流测速等。通常采用的电机主要有三种直流电机、交流异步电机和直流伺服电动机。这在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用67。调速应用领域最初用得最多的是直流电机，随着交流调速技术特别是电力电子技术和控制技术的发展，交流变频技术获得了广泛应用，变频器和交流电动机迅速渗透到原来直流调速系统的绝大多数应用领域。近几年来，由于直流伺服电动机体积小、重量小和高效节能等一系列优点，中小功率的交流变频系统正逐步被直流伺服电动机系统所取代，特别是在纺织机械、印刷机械等原来应用变频系统较多的领域，而在一些直接由电池供电的直流电机应用领域，则更多的由直流伺服电动机所取代。精密控制伺服电动机在工业自动化领域的高精度控制中扮演了一个十分重要的角色，应用场合不同，对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同，在实际应用中，伺服电动机有各种不同的控制形式转矩控制、电流控制、速度控制、位置控制。直流伺服电动机由于其良好的控制性能，在高速、高精度定位系统中逐步取代了直流电机与步进电机，成为其首选的伺服电机之一。目前，扫描仪、摄影机、CD唱机驱动、医疗诊断CT、计算机硬盘驱动及数控车床驱动中等都广泛采用了直流伺服电动机伺服系统用于精密控制8910。13课题主要研究内容本文以高性能的电机专用控制芯片80C196MC为控制核心，辅以键盘、显示、检测反馈电路，研制三相大功率永磁直流伺服电动机数字化控制系统。系统控制目标为1实现电机的转速输入与转速显示，实现电机转速的控制；2实现电流、转速双闭环控制，尽量减小超调量和转差率；3控制起动电流的大小，防止起动过程中过流；4实现电机的正反转控制，5设置合理的电路保护根据系统要求，本人主要从以下几个方面进行了研究1首先探讨了直流伺服电动机的发展进程。从直流伺服电动机的基本原理出发，导出了其等效电路图和数学模型。研究了直流伺服电动机的工作原理、驱动方法、运行特性及控制规律。2对单片机的发展现状和特点进行探讨，对本文中将使用到的80C196MC做了重点论述，并设计基于单片机控制的有位置传感器控制方案。3设计了调速系统硬件总体结构，对系统各主要部分的硬件设计进行了详细的分析和阐述。根据系统的硬件设计和所采用的控制策略，调速系统各个环节的软件构成。4对控制系统整体性能进行了分析，并提出了需要进一步研究的若干问题。第2章直流伺服电动机的工作过程直流伺服电动机是近几十年来随着电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电动机，其基本工作原理是借助反映转子位置的位置信号，通过驱动电路驱动逆变电路的功率开关元件，使电枢绕组依一定顺序导通，从而在电机气隙中产生旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，转子位置信号依一定规律变化，从而改变电枢绕组的通电状态，实现直流伺服电动机的机电能量转换。21直流伺服电动机基本组成直流伺服电动机的结构原理图如图21所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。图21直流伺服电动机结构原理图211电动机本体直流伺服电动机本体在结构上与永磁同步电机相似，但没有笼形绕组和其它气动装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2，4，）组成。P2图21中的电动机为三相两极。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件相联接，在图21中的相、相、相绕组分别与功率开关管、ABC41Q、相接。位置传感器负责跟踪转子并电动机的转轴相联接。当定子绕组的63Q25D1Q1NPND4Q4NPND2Q2NPND5Q5NPND3Q3NPND6Q6NPNM1M4M2M5M3M6U313029R1BLDCM上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上ABCIUBHI某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子位置信号变换成电信号，控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的作用。212转子位置传感器位置传感器在直流无刷电机中起着检测转子磁极位置的作用，安装在定子线圈的相应位置上。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子磁极所产生的磁场互相作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁极位置变换成电信号，去控制电子换向线路，从而使定子各相绕组按一定次序通电，使定子相电流随转子位置的变化按一定的次序换向，从而使电机能够连续工作。位置传感器的种类很多，且各具特点。目前在直流无刷电机中常用的位置传感器有以下几种类型1电磁式位置传感器电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现位置测量。电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、结构简单等优点。但这种传感器的信噪比低，同时其输出波形为交流，一般需要经过整流、滤波后才可使用。2光电式位置传感器光电式位置传感器利用光电效应制成，由跟随电机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。这类传感器性能比较稳定，但存在输出信号信噪比较大、光源灯泡寿命短、使用环境要求高等缺点。3磁敏式位置传感器磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件，其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。目前常见的磁敏式传感器有霍尔元件、霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等5。霍尔传感器由于结构简单、性能可靠、成本低，是目前在直流伺服电动机上应用最多的一种位置传感器。霍尔效应原理图如221A所示RVCC上上上上上上123上上上上VOUT图22A霍尔效应原理示意图图22B霍尔开关应用电路在长方形半导体薄片上通以电流，当将半导体薄片置于外磁场中，并将其与外HI磁场垂直时，则在与电流和磁感应强度B构成的平面相垂直的方向上会产生一个电I动势，称其为霍尔电动势，其大小为HEIKEH式中，为霍尔元件的灵敏度系数。K霍尔元件所产生的电动势很低，在应用时往往需要外接放大器，很不方便。随着半导体技术的发展，将霍尔元件与附加电路封闭为三端模块，构成霍尔集成电路。霍尔集成电路有开关型和线性型两种类型。通常采用开关型霍尔集成电路作为位置传感元件。我们通常把开关型霍尔集成电路叫做霍尔开关，其应用电路如图221B所示。使用霍尔开关构成位置传感器通常有两种形式。第一种方式是将霍尔开关粘贴于电机端盖内表面，在靠近霍尔开关并与之有一定间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体。第二种是直接将霍尔开关敷贴在定子电枢铁心表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上永磁体主磁极作为传感器的永磁体，根据霍尔开关的输出信号即可判定转子位置。对于两相导通星形三相六状态直流伺服电动机，三个霍尔开关在空间彼此相隔120电角度，传感器永磁体的极弧宽度为180电角度，这样，当电机转子旋转时，三个霍尔开关便交替输出三个宽度为180电角度、相位互差120的矩形波信号9。直流伺服电动机转子位置传感器输出的脉冲信号通过单片机控制器的CAP捕获电路送入单片机控制器作为转子位置和速度的反馈信号，当任意一相转子位置信号发生变化时，产生中断，在中断处理程序中实现电机换相。在电机转子每个旋转周期内霍尔位置传感器会产生六个交变信号，因此只要算出两次信号交变的时间差，就可以由简单除法得到电机实际速度值。213电子换向电路电子换向电路的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按一定的逻辑代码输出，触发功率开关。由于电子换向线路的导通次序与转子转角同步，因而起到了机械电刷和换向器的换向作用。因此，所谓直流伺服电动机，就其基本结构而言，可以认为是一个由电子换向电路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者共同所组成的闭环系统。直流无刷电动机的电子换向电路是用来控制电动机定子上各相绕组通电顺序和时间，主要由功率逻辑控制开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑控制开关单元是控制电路的核心，其作用是将电源的功率以一定逻辑关系分配给直流无刷电动机定子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。电子换向电路分为桥式和非桥式两种，虽然电枢绕组与电子换向电路的连接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形全控状态和三相星形半控状态连接。早期的直流伺服电动机的换向器大多由晶闸管组成，由于其关断要借助于反电动势或电流过零，而且晶闸管的开关频率较低，使得逆变器只能工作在较低频率范围内。随着新型可关断全控型器件的发展，在中小功率的电动机中换向器多由功率MOSFET或IGBT构成，具有驱动容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点412。22直流伺服电动机的工作原理直流伺服电动机的工作原理有刷直流电机由于电刷的换向，使得由永久磁钢产主的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电机运转。直流伺服电动机的运行原理和有刷直流电机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流总量恒定，以产生恒定的转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关。直流伺服电动机的运行还需依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态，使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变。因此，就可产生恒定的转矩使直流伺服电动机运转起来。直流伺服电动机三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控电路的特点是简单，一个功率开关控制一相的通断，每个绕组只通电1/3的时间，另外2/3时间处于断开状态，没有得到充分的利用。所以我们采用三相全控式电路，如图23所示。D1D2D3M1M6M2M4M3M5UQ3Q2Q1D4D5D6Q6Q5Q4L1L2L3ABC图23三相全控桥两两导通电路在图22中，电动机的绕组为星形联结。、为六个功率器件，起绕1Q26组的开关和驱动作用。同时我们采用两两导通方式，所谓两两导通方式是指每一个瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期（60电角度）换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通120电角度。各功率管的导通顺序5162Q4。当功率管导通时，电流从管流入A相绕组，再从C43Q5151Q相绕组流出，经管回到电源。二相导通的星形三相六状态的导通顺序表如表21所示。表21两两导通的导通顺序表时间（电角度）（）C061208240360UVW导通顺序VWUVBG1导通导通BG2导通导通BG3导通导通BG4导通BG5导通导通导通BG6导通导通23直流伺服电动机的数学模型方波直流伺服电动机的主要特征是反电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，这意味着定子和转子的互感是非正弦的，并且直流伺服电动机的电感为非线性。因此在这里采用DQ变换理论己经不是有效的分析方法，因为DQ方程只适用于气隙磁场为正弦分布的电动机。而直接利用电动机原有的相变量来建立数学模型既简单又能获得较准确的结果。在此，直接采用相变量法，根据转子位置，采用分段线性表示感应电动势。为简化数学模型的建立，在电机模型建立时，认为电机气隙是均匀的。并作以下假设1定子绕组为60相带整距集中绕组，星形连接；CBACBACBAEIIPMLIIRU002忽略齿槽效应，绕组均匀分布于光滑定子表面；3转子上没有阻尼绕组，电机无阻尼作用；4磁路不饱和，忽略高次磁势谐波的影响，忽略磁滞、涡流的影响。231电压平衡方程由电机电压平衡方程（21）对于三相直流伺服电动机，方程可写成（22）式中、为三相定子相电压；AUBC、为三相定子反电动势；E、为三相定子相电流；II、为三相定子相电阻；ARBC、为三相定子绕组自感；L、为三相定子绕组间互感；ABCLACB为微分算子。P无刷电机的结构决定了在一个电角度内转子的磁阻不随转子位置的变化而变360化，并假定三相绕组对称。则有ALBCL（23）ABCABM（24）ARBCR（25）又因为在三相对称的电机中存在因而，故方0CBAII0CBAII程经整理可得EDLRUTIICBACBCAABCBAEIIPLIIRCU0（26）232转矩方程直流伺服电动机的电磁转矩方程与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比，即（27）其中为电机的角速度；为电机的极对数。NP在忽略转动时的粘滞系数的假设下，无刷电动机的运动方程可写为（28）其中为电机的负载转矩；为电机的转动惯量。LTJ233传递函数直流伺服电动机的运行我和传统直流电动机基本相同，其动态结构图可以采用直流电动机通用的结构图，如图24所示图24直流伺服电动机动态结构图由直流伺服电动机动态结构图得其传递函数为（29）CBANEIEITDTTLER1TCSUSTESTLSNSGD2375SISEECLMMTSKSUTSN112上式中K1为电动势传递函数系数，为电动势系数；ECK/1为转矩传递系数，；为电动机内阻，为转矩系数；2TER/2T为机电时间常数，为转子重量，为转子直径。MTTMGDT375D24直流伺服电动机的调速方法241电势和调速方法由直流伺服电动机数学模型知，直流伺服电动机机械特性方程同一般有刷直流电动机机械特性方程在形式上完全一致。所以直流伺服电动机的调速方法也和有刷直流电动机的调速方法相似。有刷直流电动机调速方法包括改变电机主磁通调速改变电枢回路电阻调速；调节电枢端电压调速15。直流伺服电动机定子绕组，相电势幅值由下式确定（210）式中为电势系数；为相绕组等效匝数；1N若考虑线路损耗及电机内部压降（已归入），而且，导通型逆变器的输出R120电压幅值为，则电机电势与外加电压相平衡，即DU2/1E（211）（212）式中为回路等效电阻，包括电机两相电阻和管压降等效电阻。式212表明，无R直流电机的转速公式与直流电动机的转速公式十分相似，可证明，当气隙分布为方波，电机绕组为整距集中时，直流伺服电动机的转速公式与直流电机完全一样。调节电枢端电压调速主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电机额定转速向下变速，属于恒转矩调速方法。该方法的主要优点有降压特性曲线是一族与固有特性平行的直线，无论满载、轻载还是空载，都有明显得调速效果降压特性曲线的硬度不变，低速时由于负载变化引起的转速波动不大，静态稳定性好，调速范围大；可以平滑地改变施于电动机的端电压，从而使转速平滑地调节，实现无极调速；电枢端电压调速方法调节过程中能量损耗小。因此这种调速方法被广泛应用在对起动、制动和调速性能要求较高的场合。NENCPFE6021NCNEDUERICDNEDNEDIU21调节电枢电压需要有专门的可控直流电源。常用的可控直流电源有三种旋转变流机组、静止可控整流器、直流斩波器或脉宽调制变换器。通过脉宽调制变换器进行调制的方法又称为PWM（PULSEWIDTHMODULATION调制方法。它是用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用开关器件来实现通断控制，将直流电压断续加到负载上，通过通、断电时间的变化来改变负载上直流电压的平均值，将固定直流电源变成平均值可调的直流电源。构成直流斩波器的开关器件过去用的较多的是普通晶闸管，它们本身没有自关断能力，因而限制了斩波器的性能目前斩波器大都采用既能控制其导通又能控制其关断的全控型器件，如功率晶体管GTR，可关断晶闸管GTO、电力场效应管PMOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT等。采用全控型器件的PWM调速系统，其脉宽调制电路的开关频率很高可达20K以上，因此系统的频带宽、响应速度快、动态抗干扰能力强25本系统是通过调节逆变器功率器件的PWM触发信号的占空比来改变输入电机的平均电压而实现调速的。242电磁转矩直流伺服电动机的电磁转矩可由电机的电磁功率和角速度求得EP（213）将式210、211和式212代入上式得DNEINT12（214）25直流伺服电动机双闭环系统251双闭环控制系统组成控制系统的仪器或设备，必然对其直流伺服电动机控制系统都有相应的静、动态性能要求。在一些高、精、尖领域（如航空航天等），其对直流伺服电动机控制系统的性能要求可以说是相当苛刻的。由于直流伺服电动机控制系统转速静差率的存在，采用开环控制技术不能消除静差率，不能满足控制系统稳、准、快的三个基本要求，故在实际工程应用中的直流伺服电动机控制系统都是采用闭环控制技术实现的10。直流伺服电动机转速负反馈单闭环控制系统可以在保证系统稳定的条件下实现转RIUPDE速无静差，但又不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，因而常在对动态性能要求不高的场合采用。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环控制系统就难以满足需要。为了改善直流伺服电动机控制系统的动态特性，就很有必要在速度负反馈单闭环控制系统的基础上再引入电流负反馈环来控制系统动态过程的电流和转矩。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，直流伺服电动机双闭环控制系统如图25所示。图25直流伺服电动机双闭环控制系统图25中GT为驱动控制装置，V为功率开关管，、分别为转速给定电压和NU转速反馈电压，、分别为电流给定电压和电流反馈电压。这就是说，把转速调节IUI器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制功率开关管的触发装置，进而控制功率开关管的导通与关断，从而实现对直流伺服电动机转速、电流或转矩的控制24。252双闭环控制系统动态数学模型从图25直流伺服电动机动态数学模型中可以看出，直流伺服电动机有两个输入量，一个是外加电压信号，另一个是负载转矩；前者是控制输入量，后者是扰动输入ULT量。将扰动输入量的综合点移前，并进行等效变换，可得如下直流伺服电动机动态LT等效结构图，如图26所示。STLSTAAKRJSRSL1AATRSKSU无刷电机转速调节器电流调节器TAV内环NUNUIUICUDU外环速度计算转子位置传感器GT图26直流伺服电动机动态等效结构图上图中，为电枢电感，为电枢电阻；ALHAR为负载转矩，包括电动机轴上输出转矩和恒定阻力转矩；CTMN为转矩系数，为阻力系数；TK为转子机械角速度，J为转子转动惯量；SRAD/2KG要控制功率开关管整流装置总离不开控制触发电路，因此在分析系统时往往把它们当作一个环节来看待。这一环节的输入量是触发电路的控制电压，输出量是直流CTU伺服电动机的外加电压。如果把它们之间的放大系数看成常数，又由于功率开关USK管装置存在滞后作用，故功率开关管的触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后的放大环节，其传递函数可近似成一阶惯性环节（216）其动态结构如图27所示图27功率开关管触发和整流装置动态结构图速度、电流的计算和检测可以认为是瞬时的，因此它们的放大系数也就是它们的传递函数，即（217）（218）知道了各环节的传递函数后，把它们按图25所示在系统中的相互关系组合起来，就可以画出直流伺服电动机双闭环控制系统的动态结构框图，如图28所示。图中和分别表示转速和电流调节器。由于直流伺服电动机的机械特性与有SWASRSC刷直流电机非常相似，所以其双闭环起动过程与有刷直流电机也应该类似。双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流的波形如图29所示。SWASRSWACR1STKAARSL1RJS1TKLTNUNIUICTUUTKI1STKSSUCTSU1SSCTSIUAISN图28直流伺服电动机双闭环控制系统框图图29双闭环调速系统起动过程的转速和电流波形图NOOTTIDMIDLIDIIIT4T3T2T1第3章调速系统方案确定31无刷电机样机参数系统中三相直流伺服电动机各参数为额定功率，额定电流，15WNP18ANI额定电压，额定转速，电机内阻，绕组电感24VNU30R/MINNN308R，飞轮力矩，电动势常数。051HL2521GDV/RPMEC32主控单元为满足系统实时性，快速响应性，且方便编程的要求，本系统选用了由INTEL公司的80C196MC单片机作为系统的主控单元。32180C196MC单片机简介8XC196MC单片机是美国著名的INTEL公司推出的最新一代单片机。它在MCS96基础上，结构和功能又有了重大突破，是196系列中功能最为卓著，最具典型意义的一种。INTEL8XC196MC特别适合于电动机等高速控制领域，在美国工业界受到了普遍的欢迎和重视。由于它具有性能高，功能全，用户使用方便等特点，尤其是高速的处理能力和对交流电的特殊应用，因此它必将在我国的数字控制领域广泛采用，也将带来可观的经济效益和社会效益。同时，它是由CHMOS电路构成，功耗低，并具有省电的工作方式，所以也适于集成于各种电路中长期使用，可靠性极高1112。其主要技术指标为（1）工作频率，16位数据位；MHZ68（2）6路互补型控制交流电机的SPWM波形（P60P65）和两路用来控制直流电机的PWM波形（P66P67）；（3）工作电压（数字部分），（模拟部分）；工作温度VDC54VDC54C408532280C196MC单片机的结构80C196MC是专门为电机高速控制所设计的一款16位微控制器，它由一个C196核心、一个三相波形发生器WFG，算术、逻辑运算部分RALU，寄存器集，内部A/D转换器、事件处理阵列（EPA）、两个定时器和一个脉宽调制单元PWM等部分构成。如图31所示。图3180C196MC原理框图80C196MC的寄存器集包括512个字节，分为两部分，即低256字节和高256字节。低256字节中的前24个字节为特殊功能寄存器SFR。RALU在运算过程中，不像其它单片机那样只使用一个累加器，而是把低256字节都当作累加器，从而避免了使用单个累加器而易产生的瓶颈效应；其高256字节用作寄存器RAM，80C196MC可利用其独特的窗口技术，将此256字节切换成具有累加器功能，因而编程容易，执行速度高。80C196MC的特殊功能寄存器SFR除了有24个在寄存器集低端外，其余大部分都位于存储空间1F00H1FFFH。这些特殊功能寄存器也可通过使用窗口技术将它们切换到寄存器区，以达到高速操作的要求。80C196MC的晶振频率可达到，其执行速度很快，同时其内部带有13路8MHZ16位/10位的高速A/D转换器及可柔性化变换的8位/16位总线结构，有利于实现系统控制响应的快速性。3PHASECOMPLEMENTARYWAVEFORMGENERATOR波形发生器WFG是80C196MC独具的特点之一。这一外设装置大大简化了用于产生PWM波形的控制软件和外部硬件。WFG有三个同步的PWM模块，每个模块包含一个相位比较器，一个无信号时间发生A/D转换器S/HMUX端口0/148字节寄存器阵列微指令处理器T2CART定时器2定时器1ALU中断控制器存储器控制器外部事件处理器看门狗电路16K内部存储器事件处理阵列端口2端口6PWM6SP波形发生器A/D端口EPA端口波形端口EXTIN控制信号端口数据/地址总线地址总线基准电压输入模拟地非屏蔽中断CPU时钟发生器频率输入器和一对可编程的输出。WFG可以产生独立的、互补的三对PWM波形，但它们有共同的载波频率、无信号时间和操作方式。此六路SPWM信号可通过P6口直接输出，每个引脚的电流可达20MA。CPU可以通过改变其PWM信号的占空比来加以干预。通过设置SPWM信号发生器内的重装寄存器来设定频率，一旦该常数值确定，WFG将自动输出频率与此常数相对应的SPWM波直到重新装入新的常数为止。为防止同一桥臂上下两个功率MOSFET同时导通造成短路，WFG可通过编程设置逆变桥MOSFET工作时的死区互锁时间。在使用晶振时，死区时间可在MHZ16之间设定。S125080C196MC还包括事件处理阵列EPA及外设处理服务功能PTS。其中EPA用于处理与输入输出有关的事件，相当于8098的高速输入输出口和，但其功能又SIHO比后者增强了许多，在输入线中，用于捕捉输入引脚上的边沿跳变信号；在输出方式中，用于比较定时/计数器与用户设定的常数。80C196MC具有四个一致的捕捉/比较模块和四个比较模块，可分别设置成不同的工作方式。PTS是一种类似于DMA的处理方式，其用微指令码来代替中断服务程序，设置完毕就可自动执行，不需CPU干预，任何一种中断方式（非屏蔽中断NMI除外），均可以设置成PTS工作方式，主要包括数据块的传送、A/D转换、事件处理等。在闭环控制中，A/D转换器通常要占去几十微秒，因而不利于快速控制。若将A/D转换设置成PTS方式，则A/D转换将由PTS自动完成，节省了CPU大量时间，提高了系统的快速性18。32280C196MC单片机的特点8XC196MC单片机的最为显著的特点就是具有一个波形发生器（WG），它能产生三对完美的脉宽调制信号，因此特别适合于对交流电动机的控制，也能控制直流伺服电动机以及完成直流到交流的转换。这一功能在工业控制领域具有广泛的应用前景。波形发生器（WG）的每个信号都可独立编程，具有很大的应用灵活性。另外，它还提供了两个脉宽调制单元（PWM），这两个脉宽调制器是独立于波形发生器之外的，输出周期和脉冲宽度可调的脉冲。每个通道的占空比是通过各自的8位周期寄存器编程的。在脉宽调制器内还有一个8位计数器，两个8位PWM比较寄存器。PWM的输出由波形发生器的输出控制寄存器控制。PWM信号经平滑滤波后，可变为模拟信号，实现高精度的8位D/A转换。8XC196MC单片机具有很强的A/D转换功能，它具有13个通道转换器，能够完成10位或8位的高速的A/D转换，采样保持时间和转换时间是可编程的。输入的模拟电压和模拟地、参考电压共同完成转化，结果还可以用于计算增益和零偏差。零偏差补偿电路也是可编程的，它能够实现偏移的自动调整。8XC196MC单片机的事件处理器阵列EPA具有4种捕捉/比较方式和4种只比较方式，它和TIMER1，TIMER2定时器共同完成对高速的输入输出事件的自动管理。两个定时器能通过内部时钟发生器定时，定时器1还能用于外部信号源定时1112。33系统的组成以80C196MC为核心构成的调速系统的总体结构框图如图32所示，可以分为四个部分，即电机本体、位置传感器、主回路和控制回路。图32直流无刷电动机系统总体框图1机组部分电机定子绕组三相双极星形连接，电机转子磁场为梯形波；在转轴上安装有霍尔转子位置传感器，在机座上安装有三个互差电角度的霍尔定子位置传120感器，输出三个脉宽为电角度的位置信号，用作系统的位置及速度检测。1802主回路部分主回路由三相全波整流器、充电限流电阻R、储能滤波电容C，MOSFET三相逆变器构成，为典型的交直交电压型变频器结构。其中的三相整流桥和MOSFET逆变桥都是模块形式，且都固定在同一片散热器上，简化了电路结构。3控制回路部分主要有电机专用单片机系列芯片80C196MC、检测电路、保护电路和驱动电路等组成。80C196MC是控制部分的核心，它参与整个系统的控制与管理，并用来完成速度、电流的双闭环全数字PI调节，三路位置信号的逻辑处理以及输出三80C196MCIR2130功率模块无刷电机过压检测电流检测键盘输入状态显示转子位置检测整形电路六路PWM6065I/OP04P07113I/OP30P3744中断口NI捕捉口P24P26速度计算P0电流变换A/D口P03过流检测相六路的SPWM波；监测电路完成系统的位置、速度、电流的检测处理，使系统有机地运行；保护电路完成系统的过压、欠压、过流、过热等各种故障信号自诊断保护功能，确保系统能安全可靠地工作；驱动电路采用MOSFET专用驱动模块，除完成光电隔离驱动外，其本身还具有MOSFET过流检测和过流软关断功能，能对每个主开关元件进行有效的过流保护。第4章基于单片机的调速系统硬件设计传统的直流伺服电动机控制系统一般由模拟器件以硬接线方式构成。模拟控制系统价格便宜，使用方便，在很长一段时间里，它们是构成各类电机控制系统的主要手段。然而模拟元件的物理特性决定了它们具有一些本质上的缺陷，例如元件老化，特征参数受温度影响等，使它很难满足现代电子系统的设计要求。因此，数字控制系统应运而生。数字控制系统一般以可编程微处理器为硬件核心，通过控制软件来实现系统的功能。41供电电源设计供电电路分别为单片机、运算放大器、功率驱动芯片和无刷电机提供电源。如图41所示图41供电电源电路供电电路中，使用两组变压器、使主电路和控制电路分开供电，提高电路的可靠性。其中控制电路组经整流桥整流后，再用电容滤波，电容过滤高频；F20PF410BRIDGE1VIN1GND2VOUT3U27805C12200FC3104VIN1GND2VOUT3U17812C4103AC220V1TRANS4AC12VBRIDGE1L1C22200FAC24V5V12VQ1NPN24VR12KZ124VC5103C6100F然后使用两块稳压块。稳压块的作用是将电压进行降压处理并稳定为某一固定的值后输出，如三端稳压块7805、7812可将小于的电压分别降成稳定的、。为了改善稳压器的瞬V35V512态响应须在输出端加接一只并联电容，其值约为。稳压块比只使用一只稳压二极F0管进行稳压的电路要好得多，成本也不是很高，所以得到了广泛的应用。7812输出用于运算放大器、功率驱动器、高共模抑制比隔离运算放大器；12另一块输出用于单片机、光电隔离器、或门、LED驱动、施密特触发器等。V5主电路组变压器输出经滤波电容后再经过平波电抗器，使输出的直流电流更平滑，也可以有效抑制电路中的瞬时过流。由于主电流电流较大，不适合使用三端稳压块稳压。所以输出使用由齐纳稳压管和达林顿管构成的简单串联稳压电路，具有电路简单、输出电流大、稳压效果好，特别是体积小等特点17。达林顿管选用MAXIUM美信公司的2N6038，基，WPCM40AICM4，稳压管使用IN6009，最大耗散功率为，稳压值为VCEO60250FEH5，最大工作电流为。该电路稳压过程如下24MA181当输入电压不变，而负载电压变化时，其稳压过程如下2当负载不变，输入电压U增加时，其稳压过程如下3当增加时，输出电压有升高趋势，由于三极管基极电位被稳压管IUOU固定，故的增加将使三极管发射结上正向偏置电压降低，基极电流减小，从而使三O极管的集射极间的电阻增大，增加，于是，抵消了的增加，使基本保持不CEOUO变。变压器功率计算功率驱动电路；供电电路；W3015V5WA51供电电路；电路损耗（约5W）V12A21总功率为27305IUOBEUBIICCBUOU0IBEUBICICEUOUO选45W双输出变压器，共有两路输出，一路为12V，另一路为24V。42检测电路设计421位置检测样机的永磁转子结构如图42A所示。由于电机绕组为三相四极，电机内部的霍尔元件数和永磁块数均为三个，三个传感元件在空间上互差机械角度分布，且每个60传感元件与其对应的相绕组轴线之间的机械夹角为，它们通过固定件固定在电机机15座上，为了以后讨论方便，将三个传感元件分别编号为、。位置传感器整AHBC体安装图见图42B。图42（A）无刷电机转子结构图图42（B）霍尔传感器安装正视图当电机转轴逆时针移动时，遮挡盘的齿部进入霍尔传感器定子内，此时由于永磁块的磁力块的磁力线被齿部所短路，磁力线不穿越霍尔元件，霍尔元件输出为“1”高电平当齿部离开时，磁力线穿越霍尔元件，霍尔元件输出为“0”低电平。这样，根据这三个霍尔元件的输出状态，就可以准确地确定转子的磁极位置。例如，齿部准备进入时，则、的输出为001，随电机旋转，齿部进入，则、AHABCHAH、的输出为101，再转动，、的输出变为100，如此反复，位置编BCABC码如下所示、的波形如图43所示。AHBCSASBSCSNASBSCS011010011001图43传感器位置信号波形从图43可以看出1、的输出波形为三个脉宽为电角度的矩形波；AHBC1802在空间机械角度范围内，都有一个状态编码与转子位置对应；3603每一个编码都持续机械角度，即电角度。6422整形电路光电位置传感器电路输出的位置信号波形其实并不规整，需加入施密特整形电路。施密特整形电路如图44所示。图44施密特整形电路霍尔位