【文章內(nèi)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(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)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(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 7 間，主要由功率邏輯控制開關(guān)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(guān)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(guān)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(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導(dǎo)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(yīng)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(guān)斷要借助于反電動勢或電流過零，而且晶閘管的開關(guān)頻率較低，使得逆變器只能工作在較低頻率范圍內(nèi)。隨著新型可關(guān)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(gòu)成，具有驅(qū)動容易、開關(guān)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(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)。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(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩只與電樞電流的大小有關(guān)。直流伺服電動機的運行還需依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測出轉(zhuǎn)子的位置信號，通過換相驅(qū)動電路驅(qū)動與電樞繞組連接的各功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制定子繞組的通電，在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(dǎo)體中的電流方向不變。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(guān)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(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 8 圖 三相全控橋兩兩導(dǎo)通電路在圖 中，電動機的繞組為星形聯(lián)結(jié)。 、 …… 為六個功率器件，起繞1Q26組的開關(guān)和驅(qū)動作用。同時我們采用兩兩導(dǎo)通方式，所謂兩兩導(dǎo)通方式是指每一個瞬間有兩個功率管導(dǎo)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(dǎo)通 120176。電角度。各功率管的導(dǎo)通順序 → → → →5162Q4→ → 。當(dāng)功率管 導(dǎo)通時，電流從 管流入 A 相繞組，再從 C43Q5151Q相繞組流出，經(jīng) 管回到電源。二相導(dǎo)通的星形三相六狀態(tài)的導(dǎo)通順序表如表 所示。表 兩兩導(dǎo)通的導(dǎo)通順序表時間（電角度） （）C?0 61208240360U V W導(dǎo)通順序V W U VBG1 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。因此在這里采用 dq 變換理論己經(jīng)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(xué)模型既簡單又能獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果。在此，直接采用相變量法，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置，采用分段線性表示感應(yīng)電動勢。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。并作以下假設(shè)：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(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 9 ?????????????????????????? cbacbacba eiiPMLiiRu 00　 　 　 　 　　2．忽略齒槽效應(yīng)，繞組均勻分布于光滑定子表面；3．轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)決定了在一個 電角度內(nèi)轉(zhuǎn)子的磁阻不隨轉(zhuǎn)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(jīng)整理可得：EdLRUtii?? ????????????????????????? cbacbcaabcba eiiPLiiRcu0　基于 80C19 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 10 （） 轉(zhuǎn)矩方程直流伺服電動機的電磁轉(zhuǎn)矩方程與普通直流電動機相似，其電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動時的粘滯系數(shù)的假設(shè)下，無刷電動機的運動方程可寫為：（）其中： 為電機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 為電機的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)圖可以采用直流電動機通用的結(jié)構(gòu)圖，如圖 所示：圖 直流伺服電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由直流伺服電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)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(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)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(zhuǎn)矩傳遞系數(shù)， ； 為電動機內(nèi)阻， 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；2 teR/2?t為機電時間常數(shù)， ， 為轉(zhuǎn)子重量， 為轉(zhuǎn)子直徑。mT tmGDT375D 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。所以直流伺服電動機的調(diào)速方法也和有刷直流電動機的調(diào)速方法相似。有刷直流電動機調(diào)速方法包括：改變電機主磁通調(diào)速。改變電樞回路電阻調(diào)速；調(diào)節(jié)電樞端電壓調(diào)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(nèi)部壓降（已歸入 ） ，而且， 導(dǎo)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(zhuǎn)速公式與直流電動機的轉(zhuǎn)速公式十分相似，可證明，當(dāng)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(zhuǎn)速公式與直流電機完全一樣。調(diào)節(jié)電樞端電壓調(diào)速主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電機額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)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(diào)速效果。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。因此這種調(diào)速方法被廣泛應(yīng)用在對起動、制動和調(diào)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(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 12 調(diào)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(zhuǎn)變流機組、靜止可控整流器、直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。通過脈寬調(diào)制變換器進行調(diào)制的方法又稱為 PWM（Pulse width modulation)調(diào)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(guān)器件來實現(xiàn)通斷控制，將直流電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過通、斷電時間的變化來改變負(fù)載上直流電壓的平均值，將固定直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源。構(gòu)成直流斬波器的開關(guān)器件過去用的較多的是普通晶閘管，它們本身沒有自關(guān)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(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的全控型器件，如功率晶體管(GTR)，可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力場效應(yīng)管(PMOSFET) 、絕緣柵雙極晶體管((IGBT) 等。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。 電磁轉(zhuǎn)矩直流伺服電動機的電磁轉(zhuǎn)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(shè)備，必然對其直流伺服電動機控制系統(tǒng)都有相應(yīng)的靜、動態(tài)性能要求。在一些高、精、尖領(lǐng)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(dāng)苛刻的。由于直流伺服電動機控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速靜差率的存在，采用開環(huán)控制技術(shù)不能消除靜差率，不能滿足控制系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的三個基本要求，故在實際工程應(yīng)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(shù)實現(xiàn)的 [10]。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)?)(??RIUPde基于 80C19 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)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(zhuǎn)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(fù)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(fù)反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再引入電流負(fù)反饋環(huán)來控制系統(tǒng)動態(tài)過程的電流和轉(zhuǎn)矩。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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(qū)動控制裝置，V 為功率開關(guān)管， 、 分別為轉(zhuǎn)速給定電壓和nU*轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)iU*i器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制功率開關(guān)管的觸發(fā)裝置，進而控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實現(xiàn)對直流伺服電動機轉(zhuǎn)速、電流或轉(zhuǎn)矩的控制 [24]。 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型從圖 直流伺服電動機動態(tài)數(shù)學(xué)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(fù)載轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)圖，如圖 所示。 )(sTL )(s?taa KRJsRsL???))((1)(aatRsK?－)(sU無 刷電 機轉(zhuǎn) 速 調(diào) 節(jié) 器 電 流 調(diào) 節(jié) 器++ TAV內(nèi) 環(huán)*nUnU*iUi cUdU外 環(huán)速 度 計 算 轉(zhuǎn) 子 位 置傳 感 器GT基于 80C19 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 14 圖 直流伺服電動機動態(tài)等效結(jié)構(gòu)圖上圖中， —為電樞電感( )， —為電樞電阻( )；aLHaR?—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( )；cT mN?—為轉(zhuǎn)矩系數(shù)， —為阻力系數(shù)；tK?—為轉(zhuǎn)子機械角速度( )，J—為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量( )；?srad/ 2kg?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。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