【正文】 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(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)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(guò)流檢測(cè)和過(guò)流軟關(guān)斷功能，能對(duì)每個(gè)主開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行有效的過(guò)流保護(hù)。因此，數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。其中控制電路組經(jīng)整流橋整流后，再用 F?2200 電容濾波， pF410 電容過(guò)濾高頻；然后使用兩塊 穩(wěn)壓塊。 7812 輸出 V12? 用于運(yùn)算放大器、功率驅(qū)動(dòng)器、高共模抑制比隔離運(yùn)算放大器；另B R I D G E 1V i n1GND2V o u t3U27 8 0 5C12 2 0 0 μ FC31 0 4V i n1GND2V o u t3U17 8 1 2C41 0 3A C 2 2 0 V 1T R A N S 4A C 1 2 VB R I D G E 1L1C22 2 0 0 μ FA C 2 4 V+ 5 V+ 1 2 VQ1N P N+ 2 4 VR12K Z12 4 VC51 0 3C61 0 0 μ F基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 20 一塊輸出 V5? 用于單片機(jī)、光電隔離器、或門(mén)、 LED 驅(qū)動(dòng)、施密特觸發(fā)器等。 達(dá)林頓管選用 MAXIUM( 美信 ) 公司的 2N6038，基 WPCM 40? ， AICM 4? ，VVCEO 60? ， 2500?FEH ，穩(wěn)壓管使用 IN6009，最大耗散功率為 ，穩(wěn)壓值為 V24 ，最大工作電流為 mA18 。 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 ?60 機(jī)械角度分布，且每個(gè)傳感元件與其對(duì)應(yīng)的相繞組軸線之間的機(jī)械夾角為 ?15 ，它們通過(guò)固定件固定在電機(jī)機(jī)座IUOUBEU BI Ic CBUOU。 變壓器功率計(jì)算：功率驅(qū)動(dòng)電路 W30~15 ； V5? 供電電路 WAV 515 ?? ； V12? 供電電路 WAV 12112 ?? ；電路損耗（約 5W） 總功率為 WWWW )52~37(5125)30~15( ???? 選 45W 雙輸出變壓器，共有兩路輸出，一路為 12V，另一路為 24V。由于主電流電流較大，不適合使用三端穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓。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 F? 。 供電電源設(shè)計(jì) 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(wú)刷電機(jī)提供電源。模擬控制系統(tǒng)價(jià)格便宜，使用方便，在很長(zhǎng)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。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(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。兩個(gè)定時(shí)器能通過(guò)內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器定時(shí)，定時(shí)器 1 還能用于外部信號(hào)源定時(shí) [11][12]。 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。每個(gè)通道的占空比是通過(guò)各自的 8 位周期寄存器編程的。 80C196MC 單片機(jī)的特點(diǎn) 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。 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。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(guò)編程設(shè)置逆變橋 MOSFET 工作時(shí)的死區(qū)互鎖時(shí)間。 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A / D???S / HMU X?? 0 / 1488 ?????????????T 2 C A R T??? 2??? 1ALU???????????????????????16 K ????????????? 2 ?? 62 PWM6 SPWM?????A / D ?? EPA ?? ????E X TIN T???????? / ??????????????????????C P U?????????基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 17 波頻率、無(wú)信號(hào)時(shí)間和操作方式。 80C196MC 的晶振頻率可達(dá)到 MHz16 ，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)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制響應(yīng)的快速性。低 256 字節(jié)中的前 24 個(gè)字節(jié)為特殊功能寄存器 SFR。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，所以也適于集成于各種電路中長(zhǎng)期使用，可靠性極高 [11][12]。 80C196MC 單片機(jī)簡(jiǎn)介 8XC196MC 單片機(jī)是美國(guó)著名的 Intel 公司推出的最新一代單片機(jī)。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(guò)程與有刷直流電機(jī)也應(yīng)該類似。 圖 直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)等效結(jié)構(gòu)圖 上 圖中， aL — 為電樞電感 (H )， aR — 為電樞電阻 (? )； cT — 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 ( mN? )； tK — 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)， ?R — 為阻力系數(shù)； ? — 為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度 ( srad/ )， J— 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ( 2mkg? )； 要控制功率開(kāi)關(guān)管整流裝置總離不開(kāi)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(lái)看待。 圖 直流伺服電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng) 圖 中 GT 為驅(qū)動(dòng)控制裝置， V 為功率開(kāi)關(guān)管， nU 、 *nU 分別為轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓， iU 、 *iU 分別為電流給定電壓和電流反饋電壓。 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(wú)靜差，但又不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)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(chǎng)合采用。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(kāi)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] 本系統(tǒng)是通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器功率器件的 PWM觸發(fā)信號(hào)的占空比來(lái)改變輸入電機(jī)的平均電壓而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。通過(guò)脈寬調(diào)制變換器進(jìn)行調(diào)制的方法又稱為 PWM（ Pulse width modulation)調(diào)制方法。降壓特性曲線的硬度不變，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(wú)極調(diào)速；電樞端電壓調(diào)速方法調(diào)節(jié)過(guò)程中能量損耗小。直流伺服電動(dòng)機(jī)定子繞組，相電勢(shì)幅值由下式確定： （ ） 式中 為電勢(shì)系數(shù)； 1N 為相繞組等效匝數(shù)； 若考慮線路損耗及電機(jī)內(nèi)部壓降（已歸入 ?R ），而且， ?120 導(dǎo)通型逆變器的輸出電壓幅值為 dUU 2/1? ，則電機(jī)電勢(shì) E 與外加電壓相平衡， ，即 R1tC)( sU )( sT e)( sT L)( snSGD 23 75)( sI)( sE? ???eCLmm TsTKsUsTKsn ???? 1)(1)( 21nenn CNPfNE ????? 1602 1???1602 NPC ne ??dUEU 21??基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 11 （ ） （ ） 式中 ?R 為回路等效電阻，包括電機(jī)兩相電阻和管壓降等效電阻。 直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 電勢(shì)和調(diào)速方法 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)械特性方程在形式上完全一致。 無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)決定了在一個(gè) ?360 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。為簡(jiǎn)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。 表 兩兩導(dǎo)通的導(dǎo)通順序表 時(shí)間（電角度）（ C? ） 0 60 120 180 240 300 360 導(dǎo)通順序 U V W V W U V BG1 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 直流伺服電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 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。電角度。 圖 三相全控橋兩兩導(dǎo)通電路 D1 D2 D3M1M6M2M4M3M5UQ3Q2Q1D4 D5 D6Q6Q5Q4L1L2 L3AB C基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 8 在圖 中，電動(dòng)機(jī)的繞組為星形聯(lián)結(jié)。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(lái)。 直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理 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(chǎng)與電樞繞組通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)在電機(jī)運(yùn)行過(guò)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)。而各相繞組導(dǎo)通的順基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 7 序和時(shí)間主要取決于來(lái)自位置傳感器的信號(hào)。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。的矩形波信號(hào) [9]。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(kāi)關(guān)在空間彼此相隔 120176。我們通常把開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路叫做霍爾開(kāi)關(guān)，其應(yīng)用電路如圖 所示。 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。 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?chē)艌?chǎng)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)。電磁式位置傳感器具有輸出信號(hào)大、工作可靠、壽命長(zhǎng)、使用環(huán)境要求不高、適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 轉(zhuǎn)子位置傳感器 位置傳感器在直流無(wú)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。三相定子繞組分別與電子開(kāi)關(guān)線路中相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件相聯(lián)接，在圖 中的 A 相、 B 相、 C 相繞組分別與功率開(kāi)關(guān)管 41 、 63 、25 相接。它主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。 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(wèn)題。研究了直流伺服電動(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。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(pán)驅(qū)動(dòng)及數(shù)控車(chē)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]。 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(lái)直流調(diào)速系統(tǒng)的絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域 。而在功率較大的場(chǎng)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?？?的說(shuō)來(lái)，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]。 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 有刷基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 2 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。這些開(kāi)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(kāi)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 ― 逆變器的成本降低，且向高頻化、小型化發(fā)展。 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。 MOSFET。 The system also has established the electric current sampling electric circuit, with the velocity feedback electric circuit constituting the doubling closedloop system, which can realize the electrical m