【正文】 素低，增加線路和電網(wǎng)的損耗，根據(jù)有關報導我國消耗在電動機上的電力占整個電力的65%以上。在環(huán)境適應性方面，對于高性能系統(tǒng)，只能采用直流電動機，但在同時要求長壽命，免維修以及防爆、防燃的環(huán)境條件下，有刷直流電動機就無法適應，伺服控制直流電動機才是最好的選擇。70年代末、80年代初，隨著電機技術及其相關學科的迅猛發(fā)展，伺服控制直流電機進入了實用階段，先后研究成功方波和正弦波伺服控制直流電機，并且在計算機外設等領域開始應用。高性能永磁材料，如影鉆、欽鐵翻的應用，也使伺服控制直流電機的性能提高和成本降低，為其得到廣泛應用奠定了堅實的基礎。在國外，伺服控制直流電機己得到了較為充分的發(fā)展。針對家電(空調(diào)、洗衣機)、電動車的使用，需要較高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)矩的要求，日本HONDA公司開發(fā)了一種車用的伺服控制直流電動機，其轉(zhuǎn)子是用非導磁的不銹鋼將稀土磁體包卷嵌入轉(zhuǎn)子迭片中，具有堅固可靠、輸出力矩大和效率高(超過85%)的特點。將來，隨著這些器件的普及和應用的擴大，器件成本將大幅度地降價，因此性能明顯更優(yōu)秀的正弦波電流驅(qū)動的電動機會比方波驅(qū)動的電動機更受歡迎。數(shù)字控制技術使得許多硬件工作都由軟件來完成，這樣，減少了硬件電路，提高了可靠性和性能，減小了尺寸，提高了效率。 本論文的主要內(nèi)容 系統(tǒng)的總結了伺服控制直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的基本結構和工作原理并分析了其運行特性。因此，使這種電動機不僅保留了直流電動機的優(yōu)點，而且又具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點。： 直流電動機電動機本體位置傳感器電子換向線路主轉(zhuǎn)子控制器傳感器定子功率變換器傳感器轉(zhuǎn)子主定子 伺服控制直流電動機組成方框圖 電動機本體電動機本體在結構上與永磁式同步電動機相似，但沒有籠型繞組和其他起動裝置。此外，還要考慮節(jié)約材料、結構簡單、緊湊、運行可靠和溫升不超過規(guī)定的限度。主定 子 繞 組是電動機本體中的一個最重要部件。因此，對繞組的要求為：一方面它能通過一定的電流，產(chǎn)生足夠的磁動勢以得到足夠的轉(zhuǎn)矩；另一方面，要求結構簡單，運行可靠，并應盡可能節(jié)省有色金屬和絕緣材料。為了更好地改善電動機的性能，一般伺服控制直流電動機多采用雙層繞組。永磁體和導磁體是產(chǎn)生磁場的核心，由永磁材料和導磁材料組成。 位置傳感器位置傳感器在伺服控制直流電動機中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為電子換向線路提供正確的換向信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后去控制定子繞組換相。位置傳感器的種類很多，且各具特點，按動作原理可分為敏感式、藕合式、諧振式和接近式。諧振式是由電感、電容等元件組成，當達到諧振條件時，輸出信號為最大，借此去控制電樞繞組的導通。由于它省去了位置傳感器，使得伺服控制直流電動機的結構更加緊湊，因而近年來的應用日趨廣泛。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。本系統(tǒng)采用智能功率模塊（IPM），它使用表面貼裝技術將三相橋臂的六個IGBT及其驅(qū)動電路、保護電路集成在一個模塊內(nèi)。討論各種電動機的運行特性時，一般都從電勢公式(即轉(zhuǎn)速公式)、電勢平衡方程式、轉(zhuǎn)矩公式和轉(zhuǎn)矩平衡方程式出發(fā)。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電勢E增加，電磁轉(zhuǎn)矩降低，加速力矩也減小，最后進入正常工作狀態(tài)。當轉(zhuǎn)速為零時，即為起動電磁轉(zhuǎn)矩。功率晶體管的飽和壓降和集電極電流之間成正比的關系。當電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩平衡時，電機就維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運行。所以，在電子換向線路及其他控制線路保持不變的情況下，伺服控制直流電動機調(diào)速性能很好，可以利用改變電源電壓來實現(xiàn)平滑的調(diào)速。 第3章 伺服控制直流電動機的硬件設計永磁伺服控制直流電機調(diào)速系統(tǒng)由8051單片機控制器、功率變換電路、伺服控制直流電動機、位置及電流傳感器四大部分組成。，基本可以分為四大部分，即電機本體、位置傳感器、主回路和控制回路。為典型的交—直—交電壓型變頻器結構。8051是控制部分的核心，它參與整個系統(tǒng)的控制與管理，并用來完成速度、電流的雙閉環(huán)控制，三路位置信號的邏輯處理以及輸出三相六路的PWM波；檢測電路完成系統(tǒng)的位置、速度和電流的檢測處理，使系統(tǒng)有機地運行；保護電路完成系統(tǒng)的過壓、欠壓、過流等各種故障信號自診斷與保護功能，確保系統(tǒng)能安全可靠地工作:驅(qū)動電路采用IGBT專用驅(qū)動模智能功率模塊（IPM）。 單片機及接口電路設計 AT8051的引腳及功能8051單片機的管腳說明如圖3－2所示。② XTAL2 接外部晶體的另一個引腳。① P0端口（～ ） P0是一個8位漏極開路型雙向I/O端口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。P2的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(如執(zhí)行MOVX Ri , A指令)時，P2口引腳上的內(nèi)容(就是專用寄存器(SFR)區(qū)中P2寄存器的內(nèi)容)，在整個訪問期間不會改變。P3作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。 如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應不接。 電動機PWM的設計電動機PWM驅(qū)動模塊的電路設計與實現(xiàn)具體電路見下圖二。4個電感在電路中是起防止電動機兩端的電流和晶體管上的電流過大的保護作用。這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動電流得到了大大的增強。實驗證明，脈沖頻率在15Hz30Hz時效果最佳。速度分7檔控制，從高電平（第6檔）到低電平（第0檔）中間占空比以20%逐極遞減。在此換相方式下，不難給出本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置信號、三相繞組相電流以及控制芯片內(nèi)PWM電路六路換向控制輸出信號的波形圖。表中“通”表示PWM電路的有關管腳輸出為低電平，因本系統(tǒng)的換相控制信號為低電平有效，故與本管腳相對應的開關管導通；“斷”表示管腳相對應的開關管截止；“PWM”表示在管腳上出現(xiàn)PWM波形。但這些方法在伺服控制直流電動機中行不通。這樣一來，電動機就正轉(zhuǎn)，則電動機就反轉(zhuǎn)，非常方便。目前，伺服控制直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的位置傳感器多為光電式和霍爾元件式。光電式位置傳感器具有定位精度高、價格便宜、易加工等特點，但對惡劣環(huán)境的適應能力較差，輸出信號沿需加以整形電路處理。隨著半導體集成技術的發(fā)展，將霍爾元件?；魻柤呻娐酚芯€性型和開關型兩種。對于m相2p極伺服控制直流電動機來說，其位置傳感器靜止部分上的傳感元件數(shù)一般與繞組相等，也可能比繞組相數(shù)少一半(m為偶數(shù)時)。這樣，根據(jù)這三個霍爾元件的輸出狀態(tài)Sa、 Sb、 Sc，就可以準確地確定轉(zhuǎn)子的磁極位置。測量電動機轉(zhuǎn)速的方法有許多種，如測速發(fā)電機測速、光電測速、霍爾測速等，由于多數(shù)伺服控制直流電動機的容量都較小，一般不宜在其轉(zhuǎn)軸上安裝如測速發(fā)電機等附加的測速裝置。 沿生成電路輸入輸出信號其中脈沖的寬度由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的的RC延遲網(wǎng)絡決定，其延遲時間與RC參數(shù)的關系如下： 這個脈沖的寬度不能大于最高轉(zhuǎn)速時位置信號的寬度，否則在最高轉(zhuǎn)速時每一個周期將會漏掉一個換相時刻，這將使電機運行于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，位置信號的沿脈沖經(jīng)過一個頻壓轉(zhuǎn)換電路，其輸出的是模擬電壓，其大小與電動機的轉(zhuǎn)速有關，這就得到了轉(zhuǎn)速反饋信號，送單片機的模/數(shù)轉(zhuǎn)換端，根據(jù)捕獲的的數(shù)據(jù)可以求出電機的轉(zhuǎn)速。這樣利用位置傳感器信號，既產(chǎn)生了位置信號，也生成了速度反饋信號。目前，電流傳感器所用的傳感元件有精密取樣電阻，磁敏電阻和霍爾元件。 系統(tǒng)保護環(huán)節(jié)的設計隨著永磁伺服控制直流電動機調(diào)速系統(tǒng)研究的不斷深入，系統(tǒng)保護環(huán)節(jié)的合理設計成為非常重要的內(nèi)容之一。當出現(xiàn)意外故障時，如不及時處理，便會造成損壞功率開關元件和其他設備的嚴重后果。 過壓保護電路的設計過壓、欠壓保護是針對電源異常、主回路電壓超過或低于一定數(shù)值時考慮的。過高的直流電壓對IGBT的安全構成威脅，很可能超過IGBT的最大耐壓而將其擊穿，造成永久性損壞。其中電壓信號的取樣是采用電阻R1和R2分壓的方法得到的，電容C11起濾波抗干擾作用，防止電路誤動作。其中電阻R5是正反饋電阻，它的接入使比較器有一定回差，防止取樣信號在給定點附近波動時比較抖動，這里將過電壓保護的動作值整定為額定輸入電壓的110℅。過流檢測按驅(qū)動信號與集電極電壓之間的關系實現(xiàn)，當流過IGBT 的電流超過內(nèi)部設定值時，驅(qū)動電路關斷IGBT，同時送出過流信號，使光藕器件導通，輸出低電平過流保護信號，送鎖存器鎖存。當取樣電流高于設定值時(異常情況下)，比較器輸出低電平，光藕器件導通，輸出低電平保護信號，送后級鎖存器鎖存。完成數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC（Digital to Analog Converter）。其中 為二進制數(shù)按位權展開轉(zhuǎn)換成的十進制數(shù)值。權電阻網(wǎng)絡DAC 的轉(zhuǎn)換精度取決于基準電壓VREF，以及模擬電子開關、運算放大器和各權電阻值的精度。R–2R倒T形電阻網(wǎng)絡DAC是工作速度較快、 應用較多的一種。一般用 DAC 的位數(shù)來衡量分辨率的高低,也可以用DAC能分辨出來的最小輸出電壓1 LSB與最大輸出電壓FSR之比定義分辨率。轉(zhuǎn)換速度一般由建立時間決定。x％FSR指明范圍）內(nèi)為止，這段時間稱為建立時間，它是DAC的最大響應時間，所以用它衡量轉(zhuǎn)換速度的快慢。（3）利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生多種波形，達到較高的頻率，且易于調(diào)試。（4）利用專用直接數(shù)字合成ＤＤＳ芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生任意波形并達到很高的頻率。 DAC0832芯片介紹DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。芯片內(nèi)有兩級輸入寄存器，使DAC0832具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路D/A異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等)。該片邏輯輸入滿足TTL電壓電平范圍，可直接與TTL電路或微機電路相接。有效時間應大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯)；* ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效；* ：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；* ：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。* Rfb：反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度；* Vcc：芯片工作電源，范圍為+5V～+15V；* VREF：基準電壓輸入線，VREF的范圍為10V～+10V；* AGND：模擬信號地，為模擬信號和基準電源的參考地；* DGND：數(shù)字信號地，為工作電源地和數(shù)字邏輯地； DAC0832芯片與單片機硬件接口設計DAC0832與MCS51單片機的連接方式：根據(jù)對DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三種連接方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。有時輸入的信號波形不是很好時，放大后也是失真的信號，這就會影響到所測信號的頻率，因此要經(jīng)過整形。由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長并且價格低廉等特點，因此使用非常廣泛。 LED 有單個發(fā)光二極管，七段（或八段）LED顯示器和LED點陣顯示器等類型。七段LED顯示器由7個長條形的發(fā)光二極管排列成“8”字形，另外顯示器中還有一個圓點型發(fā)光二極管，用于顯示小數(shù)點。本設計中使用的是共陰極數(shù)碼管。靜態(tài)顯示的方法軟件編程相對簡單一些，但其占用的輸出口較多，硬件資源需要較多。CPU向字段輸出口送出字形碼時（即段控），所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個顯示器亮，則取決于COM端，而這一端是由I/O控制的，即位控，所以可以自行決定何時顯示哪一位。 LED與單片機的接口電路設計在本課題設計中，LED數(shù)碼管顯示采用常用的硬件電路連接方式，其中P0口用來控制選擇輸出數(shù)據(jù)，P2口的高四位用來控制LED片選顯示。當有一個鍵按下（閉合）時，就使對應位接地而變成低電平。通過按鍵可以以任意循環(huán)方式輸出不同波形。開 始啟動采樣定時讀反饋、計算偏差調(diào)控制算法程序計算輸出脈沖占空比沖占空比 采樣中斷程序框圖返 回開 始初始化顯示復位狀態(tài)有鍵按下嗎？YYNN是功能鍵嗎？啟動控制程序判鍵值給定設置程序 主程序框圖結束語 本次伺服控制直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的設計，所做的工作主要是對硬件電路的設計。這兩部分電路構成了伺服控制直流電動機控制系統(tǒng)的整體。培養(yǎng)了我獨立工作獨立思考的能力,提高了我運用科研成果和新技術的能力, 更好地把所學的知識應用到社會生產(chǎn)中去，為走上工作崗位打下了基礎。畢業(yè)設計完成了，基本上達到了課題的要求。得到我們所需要的各種波形輸出。圖NY開始初始化參數(shù)查表輸出段碼輸出位碼循環(huán)結束?位碼移位結束 顯示程序流程圖5. 系統(tǒng)的調(diào)試完成了整個系統(tǒng)的硬件、軟件設計及硬件組裝后，還要進行系統(tǒng)硬件和軟件的調(diào)試，通過調(diào)試查出系統(tǒng)中硬件設計與軟件設計中存在的錯誤及可能出現(xiàn)的不協(xié)調(diào)問題，以便修改設計，最終使系統(tǒng)正確可靠。通過了這次畢業(yè)設計，我不僅學到許多的實用知識，還學會如何克服未知的困難，解決難題的方法。這次的畢業(yè)設計給了我一個極大的挑戰(zhàn)，進行每一階段的任務對我老說都是在接觸新鮮的東西。但是通過這次畢業(yè)設計的訓練，本人在硬件電路設計上有了很大的提高與進步。 軟硬件調(diào)試軟件調(diào)試的這一階段，我陷入困境，由于自己在軟件編程方面很弱，面對那些字符，我一開始有些不知所措，再加上那幾天，整個人的狀態(tài)不好，心情也比較浮躁，導致了畢業(yè)設計停滯不前的狀態(tài)，狀態(tài)調(diào)整好以后，我就開始認真學習編程。2．由于我是個粗心大意之人，難免在編程中打錯字母。仿真器的熟悉也花去了一段時間。本畢業(yè)設計的全部工作是在李曉秀教授的悉心指導