【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。設(shè)計是否有創(chuàng)意？

　　

【正文】 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 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 eP 和角速度 ? 求得 ???? RICU dned 2121neddCRIUn??? ? )(21?? )( ???? RIUPT ddee基于 80C19 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬 件設(shè)計 12 （ ） 將式 、 和式 代入上式得 dne INT ?? 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、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)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(chǔ)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(zhuǎn)矩。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，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， nU 、 *nU 分別為轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓， iU 、 *iU 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)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，????????? ?????+ +TAV??*nUnU*iUiUcU dU?????????????GT基于 80C19 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬 件設(shè)計 13 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 U ，另一個是負載轉(zhuǎn)矩 LT ；前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。將擾動輸入量 LT 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)等效結(jié)構(gòu)圖，如圖 所示。 圖 直流伺服電動機動態(tài)等效結(jié)構(gòu)圖 上 圖中， aL — 為電樞電感 (H )， aR — 為電樞電阻 (? )； cT — 為負載轉(zhuǎn)矩，包括電動機軸上輸出轉(zhuǎn)矩和恒定阻力轉(zhuǎn)矩 ( mN? )； tK — 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)， ?R — 為阻力系數(shù)； ? — 為轉(zhuǎn)子機械角速度 ( srad/ )， J— 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 ( 2mkg? )； 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 ctU ，輸出量是直流伺服電動機的外加電壓 U 。如果把它們之間的放大系數(shù) sK 看成常數(shù)， 又由于功率開關(guān)管裝置存在滯后作用，故功率開關(guān)管的觸發(fā)與整流裝置可以看成是一個具有純滯后的放大環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié)： （ ） 其動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 功率開關(guān)管觸發(fā)和整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 速度、電流的計算和檢測可以認為是瞬時的，因此它們的放大系數(shù)也就是它們的傳)( sT L)( s?taa KRJsRsL ??? ? ))((1)( aat RsLK ?)( sU1?sTKss)( sU ct )( sU1)( )( ?? sT KsU sU s sct基于 80C19 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬 件設(shè)計 14 遞函數(shù)，即 （ ） （ ） 知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 后，把它們按圖 所示在系統(tǒng)中的相互關(guān)系組合起來，就可以畫出直流伺服電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 所示。圖中)(sWASR 和 )(sWACR 分別表示轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器。由于直流伺服電動機的機械特性與有刷直流電機非常相似，所以其雙閉環(huán)起動過程與有刷直流電機也應(yīng)該類似。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流的波形如圖 所示。 圖 直流伺服電動機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形圖 )( sW AS R )( sW A C R1?sTKssaa RsL ?1?? RJs1tKLTnU*nU*iUiUctU U?tK??aI?????)( )(sI sUai??? )( )(ssUnnOOttIdmIdLIdn* I IIIIIt4t3t2t1基于 80C19 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬 件設(shè)計 15 第 3 章 調(diào)速系統(tǒng)方案確定 無刷電機樣機參數(shù) 系統(tǒng)中三相直流伺服電動機 各參數(shù)為：額定功率 15WNP ? ，額定電流 ? ，額定電壓 24VNU ? ， 額定轉(zhuǎn)速 3000r/minNn ? ， 電機內(nèi)阻 ??， 繞組電感? ， 飛輪 力矩 2 5 25 10 N mGD ?? ? ?， 電動勢常數(shù) ? 。 主控單元 為滿足系統(tǒng)實時性，快速響應(yīng)性，且方便編程的要求，本系統(tǒng)選用了由 Intel 公司的 80C196MC 單片機作為系統(tǒng)的主控單元。 80C196MC 單片機簡介 8XC196MC 單片機是美國著名的 Intel 公司推出的最新一代單片機。它在 MCS96基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)和功能又有了重大突破，是 196 系列中功能最為卓著，最具典型意義的一種。 Intel8XC196MC 特別適合于電動機 等高速控制領(lǐng)域，在美國工業(yè)界受到了普遍的歡迎和重視。由于它具有性能高，功能全，用戶使用方便等特點，尤其是高速的處理能力和對交流電的特殊應(yīng)用，因此它必將在我國的數(shù)字控制領(lǐng)域廣泛采用，也將帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。同時，它是由 CHMOS 電路構(gòu)成，功耗低，并具有省電的工作方式，所以也適于集成于各種電路中長期使用，可靠性極高 [11][12]。其主要技術(shù)指標為： （ 1） MHz168? 工作頻率， 16 位數(shù)據(jù)位； （ 2） 6 路互補型控制交流電機的 SPWM 波形（ — ）和兩路用來 控制直流電機的 PWM 波形（ — ）； （ 3）工作電壓： ? （數(shù)字部分）， ? （模擬部分）；工作溫度：C?40? — C?85 80C196MC 單片機的結(jié)構(gòu) 80C196MC 是專門為電機高速控制所設(shè)計的一款 16 位微控制器，它由一個 C196 核心、一個三相波形發(fā)生器 WFG，算術(shù)、邏輯運算部分 RALU，寄存器集，內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換器、事件處理陣 列（ EPA）、兩個定時器和一個脈寬調(diào)制單元 PWM 等部分構(gòu)成。如圖 所示。 基于 80C19 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬 件設(shè)計 16 圖 80C196MC 原理框圖 80C196MC 的寄存器集包括 512 個字節(jié)，分為兩部分，即低 256 字節(jié)和高 256 字節(jié)。低 256 字節(jié)中的前 24 個字節(jié)為特殊功能寄存器 SFR。 RALU 在運算過程中，不像其它單片機那樣只使用一個累加器，而是把低 256 字節(jié)都當(dāng)作累加器，從而避免了使用單個累加器而易產(chǎn)生的瓶頸效應(yīng)；其高 256 字節(jié)用作寄存器 RAM， 80C196MC 可利用其獨特的窗口技術(shù)， 將此 256 字節(jié)切換成具有累加器功能，因而編程容易，執(zhí)行速度高。 80C196MC 的特殊功能寄存器 SFR 除了有 24 個在寄存器集低端外，其余大部分都位于存儲空間 1F00H－ 1FFFH。這些特殊功能寄存器也可通過使用窗口技術(shù)將它們切換到寄存器區(qū)，以達到高速操作的要求。 80C196MC 的晶振頻率可達到 MHz16 ，其執(zhí)行速度很快，同時其內(nèi)部帶有 13 路 8位 /10 位的高速 A/D 轉(zhuǎn)換器及可柔性化變換的 8 位 /16 位總線結(jié)構(gòu)，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)控制響應(yīng)的快速性。 3Phase Complementary Waveform Generator 波形發(fā)生器 WFG 是 80C196MC 獨具的特點之一。這一外設(shè)裝置大大簡化了用于產(chǎn)生 PWM 波形的控制軟件和外部硬件。 WFG有三個同步的 PWM 模塊，每個模塊包含一個相位比較器，一個無信號時間發(fā)生器和一對可編程的輸出。 WFG 可以產(chǎn)生獨立的、互補的三對 PWM 波形，但它們有共同的載A / D???S / HMU X?? 0 / 1488 ?????????????T 2 C A R T??? 2??? 1ALU???????????????????????16 K ????????????? 2 ?? 62 PWM6 SPWM?????A / D ?? EPA ?? ????E X TIN T???????? / ??????????????????????C P U?????????基于 80C19 單片機伺服電機調(diào)速系統(tǒng)軟硬 件設(shè)計 17 波頻率、無信號時間和操作方式。此六路 SPWM 信號可通過 P6 口直接輸出，每個引腳的電流可達 20mA。 CPU 可以通過改變其 PWM 信號的占空比來加以干預(yù)。通過設(shè)置SPWM 信號發(fā)生器內(nèi)的重裝寄存器來設(shè) 定頻率，一旦該常數(shù)值確定， WFG 將自動輸出頻率與此常數(shù)相對應(yīng)的 SPWM 波直到重新裝入新的常數(shù)為止。為防止同一橋臂上下兩個功率 MOSFET 同時導(dǎo)通造成短路， WFG 可通過編程設(shè)置逆變橋 MOSFET 工作時的死區(qū)互鎖時間。在使用 MHz16 晶振時，死區(qū)時間可在 SS ?? 125~ 之間設(shè)定。 80C196MC 還包括事件處理陣列 EPA 及外設(shè)處理服務(wù)功能 PTS。其中 EPA 用于處理與輸入輸出有關(guān)的事件，相當(dāng)于 8098 的高速輸入輸出口 HSI 和 HSO ，但其功能又比后者增強了許多，在輸入線中，用于捕捉輸入引腳上的邊沿跳變信號；在輸出方式中，用于比較定時 /計數(shù)器與用戶設(shè)定的常數(shù)。 80C196MC 具有四個一致的捕捉 /比較模塊和四個比較模塊，可分別設(shè)置成不同的工作方式。 PTS 是一種類似于 DMA 的處理方式，其用微指令碼來代替中斷服務(wù)程序，設(shè)置完畢就可自動執(zhí)行，不需 CPU 干預(yù)，任何一種中斷方式（非屏蔽中斷 NMI 除外），均可以設(shè)置成 PTS 工作方式，主要包括數(shù)據(jù)塊的傳送、 A/D 轉(zhuǎn)換、事件處理等。在閉環(huán)控制中， A/D 轉(zhuǎn)換器通常要占去幾十微秒，因而不利于快速控制。若將 A/D 轉(zhuǎn)換設(shè)置成 PTS方式，則 A/D 轉(zhuǎn)換將由 PTS 自動完成，節(jié)省了 CPU 大量時間，提高了系統(tǒng)的快速性 [18]。 80C196MC 單片機的特點 8XC196MC 單片機的最為顯著的特點就是具有一個波形發(fā)生器（ WG），它能產(chǎn)生三對完美的脈寬調(diào)制信號，因此特別適合于對交流電動機的控制，也能控制直流伺服電動機以及完成直流到交流的轉(zhuǎn)換。這一功能在工業(yè)控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。波形發(fā)生器（ WG）的每個信號都可獨立編程，具有很大的應(yīng)用靈活性。另外，它 還提供了兩個脈寬調(diào)制單元（ PWM），這兩個脈寬調(diào)制器是獨立于波形發(fā)生器之外的，輸出周期和脈沖寬度可調(diào)的脈沖。每個通道的占空比是通過各