【文章內容簡介】 而起到了機械電刷和換向器的換向作用。因此，所謂直流伺服電動機，就其基本結構而言，可以認為是一個由電子換向電路、永磁式同步電動機以及位置傳感器三者共同所組成的閉環(huán)系統(tǒng)。直流無刷電動機的電子換向電路是用來控制電動機定子上各相繞組通電順序和時基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 7 間，主要由功率邏輯控制開關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系分配給直流無刷電動機定子上的各相繞組，以便使電動機產生持續(xù)不斷的轉矩。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。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的換向器大多由晶閘管組成，由于其關斷要借助于反電動勢或電流過零，而且晶閘管的開關頻率較低，使得逆變器只能工作在較低頻率范圍內。隨著新型可關斷全控型器件的發(fā)展，在中小功率的電動機中換向器多由功率 MOSFET 或 IGBT 構成，具有驅動容易、開關頻率高、可靠性高等諸多優(yōu)點 [4][12]。 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，使得由永久磁鋼產主的磁場與電樞繞組通電后產生的磁場在電機運行過程中始終保持垂直從而產生最大轉矩，使電機運轉。直流伺服電動機的運行原理和有刷直流電機基本相同，即在一個具有恒定磁通密度分布的磁極下，保證電樞繞組中通入的電流總量恒定，以產生恒定的轉矩，且轉矩只與電樞電流的大小有關。直流伺服電動機的運行還需依靠轉子位置傳感器檢測出轉子的位置信號，通過換相驅動電路驅動與電樞繞組連接的各功率開關管的導通與關斷，從而控制定子繞組的通電，在定子上產生旋轉磁場，拖動轉子旋轉。隨著轉子的轉動，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體中的電流方向不變。因此，就可產生恒定的轉矩使直流伺服電動機運轉起來。直流伺服電動機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是簡單，一個功率開關控制一相的通斷，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 所示。D1 D2 D3M1M6M2M4M3M5UQ3Q2Q1D4 D5 D6Q6Q5Q4L1L2 L3AB C基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 8 圖 三相全控橋兩兩導通電路在圖 中，電動機的繞組為星形聯(lián)結。 、 …… 為六個功率器件，起繞1Q26組的開關和驅動作用。同時我們采用兩兩導通方式，所謂兩兩導通方式是指每一個瞬間有兩個功率管導通，每隔 1/6 周期（60176。電角度）換相一次，每次換相一個功率管，每一功率管導通 120176。電角度。各功率管的導通順序 → → → →5162Q4→ → 。當功率管 導通時，電流從 管流入 A 相繞組，再從 C43Q5151Q相繞組流出，經 管回到電源。二相導通的星形三相六狀態(tài)的導通順序表如表 所示。表 兩兩導通的導通順序表時間（電角度） （）C?0 61208240360U V W導通順序V W U VBG1 導通 導通BG2 導通 導通BG3 導通 導通BG4 導通BG5 導通 導通 導通BG6 導通 導通 直流伺服電動機的數(shù)學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。因此在這里采用 dq 變換理論己經不是有效的分析方法，因為 dq 方程只適用于氣隙磁場為正弦分布的電動機。而直接利用電動機原有的相變量來建立數(shù)學模型既簡單又能獲得較準確的結果。在此，直接采用相變量法，根據(jù)轉子位置，采用分段線性表示感應電動勢。為簡化數(shù)學模型的建立，在電機模型建立時，認為電機氣隙是均勻的。并作以下假設：1．定子繞組為 60176。相帶整距集中繞組，星形連接；基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 9 ?????????????????????????? cbacbacba eiiPMLiiRu 00　 　 　 　 　　2．忽略齒槽效應，繞組均勻分布于光滑定子表面；3．轉子上沒有阻尼繞組，電機無阻尼作用；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。 電壓平衡方程由電機電壓平衡方程（）對于三相直流伺服電動機，方程可寫成（）式中：、 、 為三相定子相電壓；aubc、 、 為三相定子反電動勢；e、 、 為三相定子相電流；ii、 、 為三相定子相電阻；aRbc、 、 為三相定子繞組自感；L、 、 、 、 、 為三相定子繞組間互感；abcLacb為微分算子。P無刷電機的結構決定了在一個 電角度內轉子的磁阻不隨轉子位置的變化而變?360化，并假定三相繞組對稱。則有：＝ ＝ ＝ aLbcL（） ＝ ＝ ＝ ＝ ＝ ＝ abcabM（） ＝ ＝ ＝ aRbcR（）又因為在三相對稱的電機中存在 因而 ，故方0??cbaii 0??cbaii程經整理可得：EdLRUtii?? ????????????????????????? cbacbcaabcba eiiPLiiRcu0　基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 10 （） 轉矩方程直流伺服電動機的電磁轉矩方程與普通直流電動機相似，其電磁轉矩大小與磁通和電流幅值成正比，即（）其中： 為電機的角速度； 為電機的極對數(shù)。?nP在忽略轉動時的粘滯系數(shù)的假設下，無刷電動機的運動方程可寫為：（）其中： 為電機的負載轉矩； 為電機的轉動慣量。LTJ 傳遞函數(shù)直流伺服電動機的運行我和傳統(tǒng)直流電動機基本相同，其動態(tài)結構圖可以采用直流電動機通用的結構圖，如圖 所示：圖 直流伺服電動機動態(tài)結構圖由直流伺服電動機動態(tài)結構圖得其傳遞函數(shù)為：（）?)(cbaneieiT??dtTLe???R1 tC)(sU )(sTe)(sTL )(snSGD2375)(sI)(sE? ??? eCLmmTsKsUTsn????1)(1)(2基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 11 上式中：K 1 為電動勢傳遞函數(shù)系數(shù)， ， 為電動勢系數(shù)；eCK/1?為轉矩傳遞系數(shù)， ； 為電動機內阻， 為轉矩系數(shù)；2 teR/2?t為機電時間常數(shù)， ， 為轉子重量， 為轉子直徑。mT tmGDT375D 直流伺服電動機的調速方法 電勢和調速方法由直流伺服電動機數(shù)學模型知，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。所以直流伺服電動機的調速方法也和有刷直流電動機的調速方法相似。有刷直流電動機調速方法包括：改變電機主磁通調速。改變電樞回路電阻調速；調節(jié)電樞端電壓調速 [15]。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)； 為相繞組等效匝數(shù)；1N若考慮線路損耗及電機內部壓降（已歸入 ） ，而且， 導通型逆變器的輸出?R?120電壓幅值為 ，則電機電勢 與外加電壓相平衡， ，即dU2/1?E （）（）式中 為回路等效電阻，包括電機兩相電阻和管壓降等效電阻。式 表明，無?R直流電機的轉速公式與直流電動機的轉速公式十分相似，可證明，當氣隙分布為方波，電機繞組為整距集中時，直流伺服電動機的轉速公式與直流電機完全一樣。調節(jié)電樞端電壓調速主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電機額定轉速向下變速，屬于恒轉矩調速方法。該方法的主要優(yōu)點有：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，都有明顯得調速效果。降壓特性曲線的硬度不變，低速時由于負載變化引起的轉速波動不大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，調速范圍大；可以平滑地改變施于電動機的端電壓，從而使轉速平滑地調節(jié)，實現(xiàn)無極調速；電樞端電壓調速方法調節(jié)過程中能量損耗小。因此這種調速方法被廣泛應用在對起動、制動和調速性能要求較高的場合。nenCPfE???6021???NCne dUE?????RICdnednedIU???)(21基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 12 調節(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：旋轉變流機組、靜止可控整流器、直流斬波器或脈寬調制變換器。通過脈寬調制變換器進行調制的方法又稱為 PWM（Pulse width modulation)調制方法。它是用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用開關器件來實現(xiàn)通斷控制，將直流電壓斷續(xù)加到負載上，通過通、斷電時間的變化來改變負載上直流電壓的平均值，將固定直流電源變成平均值可調的直流電源。構成直流斬波器的開關器件過去用的較多的是普通晶閘管，它們本身沒有自關斷能力，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通又能控制其關斷的全控型器件，如功率晶體管(GTR)，可關斷晶閘管(GTO)、電力場效應管(PMOSFET) 、絕緣柵雙極晶體管((IGBT) 等。采用全控型器件的 PWM 調速系統(tǒng)，其脈寬調制電路的開關頻率很高( 可達 20K 以上)，因此系統(tǒng)的頻帶寬、響應速度快、動態(tài)抗干擾能力強 [25]本系統(tǒng)是通過調節(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)調速的。 電磁轉矩直流伺服電動機的電磁轉矩可由電機的電磁功率 和角速度 求得eP?（）將式 、 和式 代入上式得 dneINT??12（） 直流伺服電動機雙閉環(huán)系統(tǒng) 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)的儀器或設備，必然對其直流伺服電動機控制系統(tǒng)都有相應的靜、動態(tài)性能要求。在一些高、精、尖領域（如航空航天等） ，其對直流伺服電動機控制系統(tǒng)的性能要求可以說是相當苛刻的。由于直流伺服電動機控制系統(tǒng)轉速靜差率的存在，采用開環(huán)控制技術不能消除靜差率，不能滿足控制系統(tǒng)穩(wěn)、準、快的三個基本要求，故在實際工程應用中的直流伺服電動機控制系統(tǒng)都是采用閉環(huán)控制技術實現(xiàn)的 [10]。直流伺服電動機轉速負反饋單閉環(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?)(??RIUPde基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 13 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控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，就很有必要在速度負反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎上再引入電流負反饋環(huán)來控制系統(tǒng)動態(tài)過程的電流和轉矩。為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，直流伺服電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 所示。圖 直流伺服電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)圖 中 GT 為驅動控制裝置，V 為功率開關管， 、 分別為轉速給定電壓和nU*轉速反饋電壓， 、 分別為電流給定電壓和電流反饋電壓。這就是說，把轉速調節(jié)iU*i器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制功率開關管的觸發(fā)裝置，進而控制功率開關管的導通與關斷，從而實現(xiàn)對直流伺服電動機轉速、電流或轉矩的控制 [24]。 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型從圖 直流伺服電動機動態(tài)數(shù)學模型中可以看出，直流伺服電動機有兩個輸入量，一個是外加電壓信號 ，另一個是負載轉矩 ；前者是控制輸入量，后者是擾動輸入ULT量。將擾動輸入量 的綜合點移前，并進行等效變換，可得如下直流伺服電動機動態(tài)LT等效結構圖，如圖 所示。 )(sTL )(s?taa KRJsRsL???))((1)(aatRsK?－)(sU無 刷電 機轉 速 調 節(jié) 器 電 流 調 節(jié) 器++ TAV內 環(huán)*nUnU*iUi cUdU外 環(huán)速 度 計 算 轉 子 位 置傳 感 器GT基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬件設計 14 圖 直流伺服電動機動態(tài)等效結構圖上圖中， —為電樞電感( )， —為電樞電阻( )；aLHaR?—為負載轉矩，包括電動機軸上輸出轉矩和恒定阻力轉矩( )；cT mN?—為轉矩系數(shù)， —為阻力系數(shù)；tK?—為轉子機械角速度( )，J—為轉子轉動慣量( )；?srad/ 2kg?要控制功率開關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伺服電動機的外加電壓 。如果把它們