【正文】 置信號的邏輯處理以及輸出三相六路的 SPWM 波；監(jiān)測電路完成系統(tǒng)的位置、速度、電流的檢測處理，使系統(tǒng)有機地運行；保護(hù)電路完成系統(tǒng)的過壓、欠壓、過流、過熱等 各種故障信號自診斷保護(hù)功能，確保系統(tǒng)能安全可靠地工作；驅(qū)動電路采用 MOSFET 專用驅(qū)動模塊，除完成光電隔離驅(qū)動外，其本身還具有 MOSFET 過流檢測和過流軟關(guān)斷功能，能對每個主開關(guān)元件進(jìn)行有效的過流保護(hù)。因此，數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)運而生。其中控制電路組經(jīng)整流橋整流后，再用 F?2200 電容濾波， pF410 電容過濾高頻；然后使用兩塊 穩(wěn)壓塊。 7812 輸出 V12? 用于運算放大器、功率驅(qū)動器、高共模抑制比隔離運算放大器；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 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 20 一塊輸出 V5? 用于單片機、光電隔離器、或門、 LED 驅(qū)動、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 。 由于電機繞組為三相四極，電機內(nèi)部的霍爾元件數(shù)和永磁塊數(shù)均為三個，三個傳感元件在空間上互差 ?60 機械角度分布，且每個傳感元件與其對應(yīng)的相繞組軸線之間的機械夾角為 ?15 ，它們通過固定件固定在電機機座IUOUBEU BI Ic CBUOU。 變壓器功率計算：功率驅(qū)動電路 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 供電電路分別為單片機、運算放大器、功率驅(qū)動芯片和無刷電機提供電源。模擬控制系統(tǒng)價格便宜，使用方便，在很長一段時間里，它們是構(gòu)成各類電機控制系統(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，簡化了電路結(jié)構(gòu)。兩個定時器能通過內(nèi)部時鐘發(fā)生器定時，定時器 1 還能用于外部信號源定時 [11][12]。 8XC196MC 單片機具有很強的 A/D 轉(zhuǎn)換功能，它具有 13 個通道轉(zhuǎn)換器，能夠完成 10 位或 8 位的高速的 A/D 轉(zhuǎn)換，采樣保持時間和轉(zhuǎn)換時間是可編程的。每個通道的占空比是通過各自的 8 位周期寄存器編程的。 80C196MC 單片機的特點 8XC196MC 單片機的最為顯著的特點就是具有一個波形發(fā)生器（ WG），它能產(chǎn)生三對完美的脈寬調(diào)制信號，因此特別適合于對交流電動機的控制，也能控制直流伺服電動機以及完成直流到交流的轉(zhuǎn)換。 80C196MC 具有四個一致的捕捉 /比較模塊和四個比較模塊，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功率 MOSFET 同時導(dǎo)通造成短路， WFG 可通過編程設(shè)置逆變橋 MOSFET 工作時的死區(qū)互鎖時間。 WFG 可以產(chǎn)生獨立的、互補的三對 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 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 17 波頻率、無信號時間和操作方式。 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)，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)控制響應(yīng)的快速性。低 256 字節(jié)中的前 24 個字節(jié)為特殊功能寄存器 SFR。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 [11][12]。 80C196MC 單片機簡介 8XC196MC 單片機是美國著名的 Intel 公司推出的最新一代單片機。由于直流伺服電動機的機械特性與有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(yīng)該類似。 圖 直流伺服電動機動態(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，包括電動機軸上輸出轉(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)子機械角速度 ( srad/ )， J— 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 ( 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。 圖 直流伺服電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng) 圖 中 GT 為驅(qū)動控制裝置， V 為功率開關(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。 直流伺服電動機轉(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 現(xiàn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，因而常在對動態(tài)性能要求不高的場合采用。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 [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的平均電壓而實現(xiàn)調(diào)速的。通過脈寬調(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)速范圍大；可以平滑地改變施于電動機的端電壓，從而使轉(zhuǎn)速平滑地調(diào)節(jié)，實現(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。直流伺服電動機定子繞組，相電勢幅值由下式確定： （ ） 式中 為電勢系數(shù)； 1N 為相繞組等效匝數(shù)； 若考慮線路損耗及電機內(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? ，則電機電勢 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 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 11 （ ） （ ） 式中 ?R 為回路等效電阻，包括電機兩相電阻和管壓降等效電阻。 直流伺服電動機的調(diào)速方法 電勢和調(diào)速方法 由直流伺服電動機數(shù)學(xué)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。 無刷電機的結(jié)構(gòu)決定了在一個 ?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，并假定三相繞組對稱。為簡化數(shù)學(xué)模型的建立，在電機模型建立時，認(rèn)為電機氣隙是均勻的。 表 兩兩導(dǎo)通的導(dǎo)通順序表 時間（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 直流伺服電動機的數(shù)學(xué)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(zhuǎn)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。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 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 8 在圖 中，電動機的繞組為星形聯(lián)結(jié)。因此，就可產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩使直流伺服電動機運轉(zhuǎn)起來。 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(zhuǎn)矩，使電機運轉(zhuǎn)。而各相繞組導(dǎo)通的順基于 80C19 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 7 序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號。由于電子換向線路的導(dǎo)通次序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，因而起到了機械電刷和換向器的換向作用。的矩形波信號 [9]。對于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)直流伺服電動機，三個霍爾開關(guān)在空間彼此相隔 120176。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 所示。 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。 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)。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、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。 轉(zhuǎn)子位置傳感器 位置傳感器在直流無刷電機中起著檢測轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，安裝在定子線圈的相應(yīng)位置上。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 中的 A 相、 B 相、 C 相繞組分別與功率開關(guān)管 41 、 63 、25 相接。它主要由電動機本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。 4．對控制系統(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。研究了直流伺服電動機的工作原理、驅(qū)動方法、運行特性及控制規(guī)律。目前，掃描儀、攝影機、 CD 唱 機驅(qū)動、醫(yī)療診斷 CT、計算機硬盤驅(qū)動及數(shù)控車床驅(qū)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 [8][9][10]。 調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域最初用得最多的是直流電機，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 。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(qū)動器，因此目前較少有應(yīng)用?？?的說來，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]。 直流伺服電動機保持著有刷直流電機的優(yōu)良機械及控制特性，在電磁結(jié)構(gòu)上和 有刷基于 80C19 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 2 直流電機一樣，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