【文章內(nèi)容簡介】 本文以高性能的電機專用控制芯片 80C196MC 為控制核心，輔以鍵盤、顯示、檢測反饋電路，研制三相大功率永磁直流伺服電動機數(shù)字化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制目標為： 1．實現(xiàn)電機的轉速輸入與轉速顯示，實現(xiàn)電機轉速的控制； 2．實現(xiàn)電流、轉速雙閉環(huán)控制，盡量減小超調(diào)量和轉差 率； 3．控制起動電流的大小，防止起動過程中過流； 4．實現(xiàn)電機的正反轉控制， 5．設置合理的電路保護 根據(jù)系統(tǒng)要求，本人主要從以下幾個方面進行了研究： 1．首先探討了直流伺服電動機的發(fā)展進程。從直流伺服電動機的基本原理出發(fā)，導出了其等效電路圖和數(shù)學模型。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。 2．對單片機的發(fā)展現(xiàn)狀和特點進行探討，對本文中將使用到的 80C196MC 做了重點論述，并設計基于單片機控制的有位置傳感器控制方案。 3．設計了調(diào)速系統(tǒng)硬件總體結構，對系統(tǒng)各主要部分的硬件設計進 行了詳細的分析和闡述。根據(jù)系統(tǒng)的硬件設計和所采用的控制策略，調(diào)速系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的軟件構成。 4．對控制系統(tǒng)整體性能進行了分析，并提出了需要進一步研究的若干問題。 基于 80C19 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設計 4 第 2 章 直流伺服電動機的工作過程 直流伺服電動機是近幾十年來隨著電力電子技術的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型電動機，其基本工作原理是借助反映轉子位置的位置信號，通過驅(qū)動電路驅(qū)動逆變電路的功率開關元件，使電樞繞組依一定順序?qū)?，從而在電機氣隙中產(chǎn)生旋轉磁場，拖動永磁轉子旋轉。隨著轉子的轉動，轉子位置信號依一定規(guī)律變化，從而改變電樞繞組的通 電狀態(tài)，實現(xiàn)直流伺服電動機的機電能量轉換。 直流伺服電動機基本組成 直流伺服電動機的結構原理圖如圖 所示。它主要由電動機本體、位置傳感器和電子開關線路三部分組成。 圖 直流伺服電動機結構原理圖 電動機本體 直流伺服電動機本體在結構上與永磁同步電機相似，但沒有籠形繞組和其它氣動裝置。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等），轉子由永久磁鋼按一定極對數(shù)（ P2 =2， 4， ?）組成。 圖 中的電動機為三 相兩極。三相定子繞組分別與電子開關線路中相應的功率開關器件相聯(lián)接，在圖 中的 A 相、 B 相、 C 相繞組分別與功率開關管 41 、 63 、25 相接。位置傳感器負責跟蹤轉子并電動機的轉軸相聯(lián)接。當定子繞組的某一相通D1Q1N P ND4Q4N P ND2Q2N P ND5Q5N P ND3Q3N P ND6Q6N P NM1M4M2M5M3M6U313029R1B L D C M逆變器驅(qū)動電路主控單元速度給定位置傳感器ABC基于 80C19 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設計 5 + ++++++ iUBHI電時，該電流與轉子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用 而產(chǎn)生轉矩，驅(qū)動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子位置信號變換成電信號，控制電子開關線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)ǎㄗ酉嚯娏麟S轉子位置的變化按一定的次序換相。由于電子開關線路的導通次序是與轉子轉角同步的，因而起到了機械換向器的作用。 轉子位置傳感器 位置傳感器在直流無刷電機中起著檢測轉子磁極位置的作用，安裝在定子線圈的相應位置上。當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉子磁極所產(chǎn)生的磁場互相作用而產(chǎn)生轉矩，驅(qū)動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子磁極位置變換成電信號，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，使定子相電流隨轉子位置的變化按一定的次序換向，從而使電機能夠連續(xù)工作。位置傳感器的種類很多，且各具特點。目前在直流無刷電機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來實現(xiàn)位置測量。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、適應性強、結構簡單等優(yōu)點。但這種傳感器的信噪比低，同時其輸出波形為交流，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制成，由跟隨電機轉子一起旋轉的遮光板和 固定不動的光源及光電管等部件組成。這類傳感器性能比較穩(wěn)定，但存在輸出信號信噪比較大、光源燈泡壽命短、使用環(huán)境要求高等缺點。 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體敏感元件，其基本原理為霍爾效應和磁阻效應。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構簡單、性能可靠、成本低，是目前在直流伺服電動機上應用最多的一種位置傳感器?；魻栃韴D如 所示： 圖 a 霍爾效應原理示意圖 圖 b 霍爾開關應用電路 RV C C霍 爾集 成芯 片123上 拉電 阻V o u t基于 80C19 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設計 6 在長方形半導體薄片上通以電流 HI ，當將半導體薄片置于外磁場中，并將其與外磁場垂直時，則在與電流 HI 和磁感應強度 B 構成的平面相垂直的方向上會產(chǎn)生一個電動勢 HE ，稱其為霍爾電動勢，其大小為： BIKE HHH ? 式中， HK 為霍爾元件的靈敏度系數(shù)。 霍爾元 件所產(chǎn)生的電動勢很低，在應用時往往需要外接放大器，很不方便。隨著半導體技術的發(fā)展，將霍爾元件與附加電路封閉為三端模塊，構成霍爾集成電路。 霍爾集成電路有開關型和線性型兩種類型。通常采用開關型霍爾集成電路作為位置傳感元件。我們通常把開關型霍爾集成電路叫做霍爾開關，其應用電路如圖 所示。 使用霍爾開關構成位置傳感器通常有兩種形式。第一種方式是將霍爾開關粘貼于電機端蓋內(nèi)表面，在靠近霍爾開關并與之有一定間隙處，安裝著與電機軸同軸的永磁體。第二種是直接將霍爾開關敷貼在定子電樞鐵心表面或繞組端部緊靠鐵心處，利 用電機轉子上永磁體主磁極作為傳感器的永磁體，根據(jù)霍爾開關的輸出信號即可判定轉子位置。對于兩相導通星形三相六狀態(tài)直流伺服電動機，三個霍爾開關在空間彼此相隔 120176。電角度，傳感器永磁體的極弧寬度為 180176。電角度，這樣，當電機轉子旋轉時，三個霍爾開關便交替輸出三個寬度為 180176。電角度、相位互差 120176。的矩形波信號 [9]。 直流伺服電動機轉子位置傳感器輸出的脈沖信號通過單片機控制器的 CAP 捕獲電路送入單片機控制器作為轉子位置和速度的反饋信號，當任意一相轉子位置信號發(fā)生變化時，產(chǎn)生中斷，在中斷處理程序中實現(xiàn)電機換相。 在電機轉子每個旋轉周期內(nèi)霍爾位置傳感器會產(chǎn)生六個交變信號，因此只要算出兩次信號交變的時間差，就可以由簡單除法得到電機實際速度值。 電子換向電路 電子換向電路的作用是將位置傳感器檢測到的轉子位置信號進行處理，按一定的邏輯代碼輸出，觸發(fā)功率開關。由于電子換向線路的導通次序與轉子轉角同步，因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(chǎn)生持續(xù)不斷的轉矩。而各相繞組導通的順基于 80C19 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設計 7 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(nèi)。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(qū)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(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(chǎn)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(qū)動電路驅(qū)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(chǎn)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(chǎn)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。 圖 三相全控橋兩兩導通電路 D1 D2 D3M1M6M2M4M3M5UQ3Q2Q1D4 D5 D6Q6Q5Q4L1L2 L3AB C基于 80C19 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設計 8 在圖 中，電動機的繞組為星形聯(lián)結。 1Q 、 2Q ?? 6Q 為六個功率器件，起繞組的開關和驅(qū)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 51 → 61 → 62 → 42 → 43→ 53 → 51 。當功率管 51 導通時，電流從 1Q 管流入 A 相繞組，再從 C 相繞組流出，經(jīng) 5Q 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 60 120 180 240 300 360 導通順序 U V W V W U V BG1 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(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； 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 EddLRU tii ???基于 80C19 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設計 9 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????cbacbacbacbaeeeiiiPMLMLMLiiiRRRuuu000000000000　　　　　　 （ ） 式中： au 、 bu 、 cu 為三相定子相電壓； ae 、 be 、 ce 為三相定子反電動勢； ai 、 bi 、 ci 為三相定子相電流； aR 、 bR 、 cR 為三相定子相電阻； aaL 、 bbL 、 ccL 為三相定子繞組自感； abL 、 acL