【文章內(nèi)容簡介】 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、檢測反饋電路，研制三相大功率永磁直流伺服電動機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制目標(biāo)為： 1．實現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸入與轉(zhuǎn)速顯示，實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制； 2．實現(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．控制起動電流的大小，防止起動過程中過流； 4．實現(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方面進(jìn)行了研究： 1．首先探討了直流伺服電動機(jī)的發(fā)展進(jìn)程。從直流伺服電動機(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機(jī)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(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點進(jìn)行探討，對本文中將使用到的 80C196MC 做了重點論述，并設(shè)計基于單片機(jī)控制的有位置傳感器控制方案。 3．設(shè)計了調(diào)速系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)各主要部分的硬件設(shè)計進(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(gòu)成。 4．對控制系統(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。 基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 4 第 2 章 直流伺服電動機(jī)的工作過程 直流伺服電動機(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機(jī)，其基本工作原理是借助反映轉(zhuǎn)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(guān)元件，使電樞繞組依一定順序?qū)ǎ瑥亩陔姍C(jī)氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，拖動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)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(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。 直流伺服電動機(jī)基本組成 直流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 所示。它主要由電動機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。 圖 直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 電動機(jī)本體 直流伺服電動機(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數(shù)（ P2 =2， 4， ?）組成。 圖 中的電動機(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 A 相、 B 相、 C 相繞組分別與功率開關(guān)管 41 、 63 、25 相接。位置傳感器負(fù)責(zé)跟蹤轉(zhuǎn)子并電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。當(dāng)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(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 5 + ++++++ iUBHI電時，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用 而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子位置信號變換成電信號，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刷電機(jī)中起著檢測轉(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，該電流與轉(zhuǎn)子磁極所產(chǎn)生的磁場互相作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(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，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。目前在直流無刷電機(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(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)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(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(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)簡單、性能可靠、成本低，是目前在直流伺服電動機(jī)上應(yīng)用最多的一種位置傳感器?；魻栃?yīng)原理圖如 所示： 圖 a 霍爾效應(yīng)原理示意圖 圖 b 霍爾開關(guān)應(yīng)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(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 6 在長方形半導(dǎo)體薄片上通以電流 HI ，當(dāng)將半導(dǎo)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(yīng)強(qiáng)度 B 構(gòu)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(yīng)用時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。 霍爾集成電路有開關(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)的輸出信號即可判定轉(zhuǎn)子位置。對于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)直流伺服電動機(jī)，三個霍爾開關(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，三個霍爾開關(guān)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(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的脈沖信號通過單片機(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，當(dāng)任意一相轉(zhuǎn)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(jī)換相。 在電機(jī)轉(zhuǎn)子每個旋轉(zhuǎn)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(jī)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(zhuǎn)子位置信號進(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，所謂直流伺服電動機(jī)，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(jī)以及位置傳感器三者共同所組成的閉環(huán)系統(tǒng)。 直流無刷電動機(jī)的電子換向電路是用來控制電動機(jī)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(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(jī)定子上的各相繞組，以便使電動機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導(dǎo)通的順基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)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(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(jī)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(jī)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(jī)的工作原理 直流伺服電動機(jī)的工作原理有刷直流電機(jī)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(jī)運行過程中始終保持垂直從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)運轉(zhuǎn)。直流伺服電動機(jī)的運行原理和有刷直流電機(jī)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(jī)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(jī)運轉(zhuǎn)起來。直流伺服電動機(jī)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。 圖 三相全控橋兩兩導(dǎo)通電路 D1 D2 D3M1M6M2M4M3M5UQ3Q2Q1D4 D5 D6Q6Q5Q4L1L2 L3AB C基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 8 在圖 中，電動機(jī)的繞組為星形聯(lián)結(jié)。 1Q 、 2Q ?? 6Q 為六個功率器件，起繞組的開關(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 51 → 61 → 62 → 42 → 43→ 53 → 51 。當(dāng)功率管 51 導(dǎo)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(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 60 120 180 240 300 360 導(dǎo)通順序 U V W V W U V BG1 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(jī)的數(shù)學(xué)模型 方波直流伺服電動機(jī)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(jī)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(jī)。而直接利用電動機(jī)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(jī)模型建立時，認(rèn)為電機(jī)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； 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(jī)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(jī)電壓平衡方程 （ ） 對于三相直流伺服電動機(jī)，方程可寫成 EddLRU tii ???基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)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