【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 the functions of the processing procedures with the keyboard.Keywords: Brushless DC Motor。 6bit Singlechip Microputer。 Position sensors。 Closedloop system。 MOSFET。 Power actuation.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) 1 第 1 章 緒論 直流伺服電動(dòng)機(jī)發(fā)展及現(xiàn)狀傳統(tǒng)直流電機(jī)采用機(jī)械機(jī)構(gòu)（電刷）進(jìn)行換向，因而存在機(jī)械摩擦，并由此帶來電磁噪聲、換向火花、以及壽命短等缺點(diǎn)，再加上制造成本高、維修困難，從而極大的限制了它的發(fā)展和應(yīng)用范圍。針對(duì)傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的弊病，早在 20 世紀(jì) 30 年代就有人開始研制以電子換向代替機(jī)械換向的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。經(jīng)過幾十年的努力，終于在 60 年代實(shí)現(xiàn)了這一愿望。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。但是釤和鈷的價(jià)格昂貴，限制了永磁無(wú)刷電機(jī)的前進(jìn)步伐。直到八十年代初期，價(jià)格較低的欽鐵硼永磁材料研制成功，開創(chuàng)了稀土永磁電機(jī)的新紀(jì)元，并為其在民品工業(yè)中的應(yīng)用開辟了廣闊前景，現(xiàn)已在醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、紡織及家用電器等領(lǐng)域日益普及 [1][2]。進(jìn)入 90 年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導(dǎo)體功率器件，如 GTR、MOSFET、IGBT 、MCT 等相繼問世，以及微處理器、大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，逆變裝置也發(fā)生了根本性的變化。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(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。同時(shí)，永磁材料的性能不斷提高和完善，特別是釹、鐵、硼永磁材體的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善，加上永磁電機(jī)研究和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，稀土永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用和開發(fā)進(jìn)入一個(gè)新階段，目前正朝著超高速、高轉(zhuǎn)矩，高功能化、微型化方向發(fā)展 [3]。 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)直流無(wú)刷電機(jī)是用電子換向代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械換向的一種新型機(jī)電一體化電機(jī)。它由一臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)的本體，一套電子換向開關(guān)電路（又稱逆變器）,和轉(zhuǎn)子位置傳感器所組成。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 刷直流電機(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。直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞繞組像交流電機(jī)的繞組一樣，采用多相形式，經(jīng)由逆變器接到直流電源上，定子采用位置傳感器實(shí)現(xiàn)電子換相來代替有刷直流電機(jī)的電刷和換向器，各相逐次通電產(chǎn)生電流，定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁極主磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。和有刷直流電機(jī)相比，直流伺服電動(dòng)機(jī)由于取消了電機(jī)的滑動(dòng)接觸機(jī)構(gòu)，因而消除了故障的主要根源。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，也就沒有了勵(lì)磁損耗，又由于主磁場(chǎng)是恒定的，因此鐵損也是極小的(在方波電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，電樞磁勢(shì)的軸線是脈動(dòng)的，會(huì)在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)產(chǎn)生一定的鐵損，采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)比方波電流鐵損更小)?？偟恼f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(dòng)機(jī)的應(yīng)用由于直流伺服電動(dòng)機(jī)既具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好的特點(diǎn)，故在當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如醫(yī)療器械、儀表儀器、化工、輕紡以及家用電器等方面的應(yīng)用日益普及。直流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用主要分為以下幾類: 定速驅(qū)動(dòng)機(jī)械一般不需要調(diào)速的領(lǐng)域以往大多是采用三相或單相交流異步和同步電機(jī)。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，在功率不大于 且連續(xù)運(yùn)行的情況下，為了減少體積，節(jié)省KW10材料，提高效率和降低能耗，越來越多的電機(jī)正被直流伺服電動(dòng)機(jī)逐步取代，這類應(yīng)用:有自動(dòng)門、電梯、水泵、風(fēng)機(jī)等。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。調(diào)速驅(qū)動(dòng)機(jī)械速度需要任意設(shè)定和調(diào)節(jié)，但控制精度要求不高的調(diào)速系統(tǒng)分為兩種:一種是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，另一種是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(此時(shí)的速度反饋器件多采用低分辨率的脈沖編碼器或交、直流測(cè)速等)。通常采用的電機(jī)主要有三種: 直流電機(jī)、交流異步電機(jī)和直流伺服電動(dòng)機(jī)。這在包裝機(jī)械、食品機(jī)械、印刷機(jī)械、物料輸送機(jī)械、紡織機(jī)械和交通車輛中有大量應(yīng)用 [6][7]。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)迅速滲透到原來直流調(diào)速系統(tǒng)的絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。近幾年來，由于直流伺服電動(dòng)機(jī)體積小、重量小和高效節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)，中小功率的交流變頻系統(tǒng)正逐步被直流伺服電動(dòng)機(jī)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) 3 系統(tǒng)所取代，特別是在紡織機(jī)械、印刷機(jī)械等原來應(yīng)用變頻系統(tǒng)較多的領(lǐng)域，而在一些直接由電池供電的直流電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，則更多的由直流伺服電動(dòng)機(jī)所取代。精密控制伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的高精度控制中扮演了一個(gè)十分重要的角色，應(yīng)用場(chǎng)合不同，對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的控制性能要求也不盡相同，在實(shí)際應(yīng)用中，伺服電動(dòng)機(jī)有各種不同的控制形式:轉(zhuǎn)矩控制、電流控制、速度控制、位置控制。直流伺服電動(dòng)機(jī)由于其良好的控制性能，在高速、高精度定位系統(tǒng)中逐步取代了直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)，成為其首選的伺服電機(jī)之一。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)硬盤驅(qū)動(dòng)及數(shù)控車床驅(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]。 課題主要研究?jī)?nèi)容本文以高性能的電機(jī)專用控制芯片 80C196MC 為控制核心，輔以鍵盤、顯示、檢測(cè)反饋電路，研制三相大功率永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制目標(biāo)為：1．實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸入與轉(zhuǎn)速顯示，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制；2．實(shí)現(xiàn)電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，盡量減小超調(diào)量和轉(zhuǎn)差率；3．控制起動(dòng)電流的大小，防止起動(dòng)過程中過流；4．實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，5．設(shè)置合理的電路保護(hù)根據(jù)系統(tǒng)要求，本人主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究：1．首先探討了直流伺服電動(dòng)機(jī)的發(fā)展進(jìn)程。從直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本原理出發(fā)，導(dǎo)出了其等效電路圖和數(shù)學(xué)模型。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。2．對(duì)單片機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)進(jìn)行探討，對(duì)本文中將使用到的 80C196MC 做了重點(diǎn)論述，并設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的有位置傳感器控制方案。3．設(shè)計(jì)了調(diào)速系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)各主要部分的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和闡述。根據(jù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和所采用的控制策略，調(diào)速系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的軟件構(gòu)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)一步研究的若干問題?；?80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 4 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) 5 第 2 章 直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作過程直流伺服電動(dòng)機(jī)是近幾十年來隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型電動(dòng)機(jī)，其基本工作原理是借助反映轉(zhuǎn)子位置的位置信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)逆變電路的功率開關(guān)元件，使電樞繞組依一定順序?qū)?，從而在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)依一定規(guī)律變化，從而改變電樞繞組的通電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。 直流伺服電動(dòng)機(jī)基本組成直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 所示。它主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。圖 直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 電動(dòng)機(jī)本體直流伺服電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電機(jī)相似，但沒有籠形繞組和其它氣動(dòng)裝置。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等） ，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)（ =2，4，…）組成。P2圖 中的電動(dòng)機(jī)為三相兩極。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 相、 相、 相繞組分別與功率開關(guān)管 、ABC41Q、 相接。位置傳感器負(fù)責(zé)跟蹤轉(zhuǎn)子并電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。當(dāng)定子繞組的63Q25D1Q1NPND4Q4NPND2Q2NPND5Q5NPND3Q3NPND6Q6NPNM1M4M2M5M3M6U313029R1BLDCM上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上ABC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) 6 ++－ －－－ －－ iUBHI某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子位置信號(hào)變換成電信號(hào)，控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的作用。 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。當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁極位置變換成電信號(hào)，去控制電子換向線路，從而使定子各相繞組按一定次序通電，使定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化按一定的次序換向，從而使電機(jī)能夠連續(xù)工作。位置傳感器的種類很多，且各具特點(diǎn)。目前在直流無(wú)刷電機(jī)中常用的位置傳感器有以下幾種類型：1．電磁式位置傳感器電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)位置測(cè)量。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)。但這種傳感器的信噪比低，同時(shí)其輸出波形為交流，一般需要經(jīng)過整流、濾波后才可使用。2．光電式位置傳感器光電式位置傳感器利用光電效應(yīng)制成，由跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動(dòng)的光源及光電管等部件組成。這類傳感器性能比較穩(wěn)定，但存在輸出信號(hào)信噪比較大、光源燈泡壽命短、使用環(huán)境要求高等缺點(diǎn)。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(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)。目前常見的磁敏式傳感器有霍爾元件、霍爾集成電路、磁敏電阻器及磁敏二極管等 [5]?；魻杺鞲衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低，是目前在直流伺服電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最多的一種位置傳感器?；魻栃?yīng)原理圖如 所示：RVCC上 上上 上上 上123上 上上 上Vout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 圖 a 霍爾效應(yīng)原理示意圖 圖 b 霍爾開關(guān)應(yīng)用電路在長(zhǎng)方形半導(dǎo)體薄片上通以電流 ，當(dāng)將半導(dǎo)體薄片置于外磁場(chǎng)中，并將其與外HI磁場(chǎng)垂直時(shí)，則在與電流 和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 構(gòu)成的平面相垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電I動(dòng)勢(shì) ，稱其為霍爾電動(dòng)勢(shì)，其大小為：HE IKEH?式中， 為霍爾元件的靈敏度系數(shù)。K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。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，將霍爾元件與附加電路封閉為三端模塊，構(gòu)成霍爾集成電路?；魻柤呻娐酚虚_關(guān)型和線性型兩種類型。通常采用開關(guān)型霍爾集成電路作為位置傳感元件。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。使用霍爾開關(guān)構(gòu)成位置傳感器通常有兩種形式。第一種方式是將霍爾開關(guān)粘貼于電機(jī)端蓋內(nèi)表面，在靠近霍爾開關(guān)并與之有一定間隙處，安裝著與電機(jī)軸同軸的永磁體。第二種是直接將霍爾開關(guān)敷貼在定子電樞鐵心表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子上永磁體主磁極作為傳感器的永磁體，根據(jù)霍爾開關(guān)的輸出信號(hào)即可判定轉(zhuǎn)子位置。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)霍爾開關(guān)在空間彼此相隔 120176。電角度，傳感器永磁體的極弧寬度為 180176。電角度，這樣，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，三個(gè)霍爾開關(guān)便交替輸出三個(gè)寬度為 180176。電角度、相位互差 120176。的矩形波信號(hào) [9]。直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的脈沖信號(hào)通過單片機(jī)控制器的 CAP 捕獲電路送入單片機(jī)控制器作為轉(zhuǎn)子位置和速度的反饋信號(hào)，當(dāng)任意一相轉(zhuǎn)子位置信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生中斷，在中斷處理程序中實(shí)現(xiàn)電機(jī)換相。在電機(jī)轉(zhuǎn)子每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)霍爾位置傳感器會(huì)產(chǎn)生六個(gè)交變信號(hào)，因此只要算出兩次信號(hào)交變的時(shí)間差，就可以由簡(jiǎn)單除法得到電機(jī)實(shí)際速度值。 電子換向電路電子換向電路的作用是將位置傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行處理，按一定的邏輯代碼輸出，觸發(fā)功率開關(guān)。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。因此，所謂直流伺服電動(dòng)機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一個(gè)由電子換向電路、永磁式同步電動(dòng)機(jī)以及位置傳感器三者共同所組成的閉環(huán)系統(tǒng)。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電子換向電路是用來控制電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組通電順序和時(shí)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 間，主要由功率邏輯控制開關(guān)單元和位置傳感器信號(hào)處理單元兩個(gè)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(wú)刷電動(dòng)機(jī)定子上的各相繞組，以便使電動(dòng)機(jī)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(shí)間主要取決于來自位置傳感器的信號(hào)。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。