【正文】 IUOU固定，故 的增加將使三極管發(fā)射結(jié)上正向偏置電壓降低，基極電流減小，從而使三O極管的集射極間的電阻增大， 增加，于是，抵消了 的增加，使 基本保持不CEOUO變。變壓器功率計(jì)算：功率驅(qū)動(dòng)電路 ； 供電電路 ；W30~15V5?WA51??供電電路 ；電路損耗（約 5W）V12?A21??總功率為 )27()30~5( ??IUOBEUBIIcCBUOU0I BEUBICICEUOUO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) 23 選 45W 雙輸出變壓器，共有兩路輸出，一路為 12V，另一路為 24V。 檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 位置檢測(cè)樣機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖 (a)所示。由于電機(jī)繞組為三相四極，電機(jī)內(nèi)部的霍爾元件數(shù)和永磁塊數(shù)均為三個(gè)，三個(gè)傳感元件在空間上互差 機(jī)械角度分布，且每個(gè)?60傳感元件與其對(duì)應(yīng)的相繞組軸線之間的機(jī)械夾角為 ，它們通過(guò)固定件固定在電機(jī)機(jī)?15座上，為了以后討論方便，將三個(gè)傳感元件分別編號(hào)為 、 、 。位置傳感器整aHbc體安裝圖見(jiàn)圖 (b)。圖 （a）無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖 圖 （b）霍爾傳感器安裝正視圖當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針移動(dòng)時(shí)，遮擋盤(pán)的齒部進(jìn)入霍爾傳感器定子內(nèi)，此時(shí)由于永磁塊的磁力塊的磁力線被齒部所短路，磁力線不穿越霍爾元件，霍爾元件輸出為“1”(高電平 )。當(dāng)齒部離開(kāi)時(shí)，磁力線穿越霍爾元件，霍爾元件輸出為“0”(低電平)。這樣，根據(jù)這三個(gè)霍爾元件的輸出狀態(tài)，就可以準(zhǔn)確地確定轉(zhuǎn)子的磁極位置。例如，齒部準(zhǔn)備進(jìn)入 時(shí)，則 、 、 的輸出為 001，隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)，齒部進(jìn)入 ，則 、aHabcHaH、 的輸出為 101，再轉(zhuǎn)動(dòng)， 、 、 的輸出變?yōu)?100，如此反復(fù)，位置編bc abc碼如下所示：、 、 的波形如圖 所示。aHbcSaSbScSNaSbScS011010 011001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) 24 圖 傳感器位置信號(hào)波形從圖 可以看出：1． 、 、 的輸出波形為三個(gè)脈寬為 電角度的矩形波；aHbc ?1802．在空間 (機(jī)械角度)范圍內(nèi)，都有一個(gè)狀態(tài)編碼與轉(zhuǎn)子位置對(duì)應(yīng)；?3603．每一個(gè)編碼都持續(xù) 機(jī)械角度，即 電角度。? ?6 整形電路光電位置傳感器電路輸出的位置信號(hào)波形其實(shí)并不規(guī)整，需加入施密特整形電路。施密特整形電路如圖 所示。圖 施密特整形電路霍爾位置傳感器輸出信號(hào) 、 、 ，經(jīng)高速光電隔離器 6N136 隔離后，再Habc經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器整形。光隔的輸入或輸出一般須串電阻，防止光隔內(nèi)部電流過(guò)大而老化，一般選用 。WK4/174HC14 是施密特輸入反相器芯片，輸入電平從低到高的翻轉(zhuǎn)電平高于從高到低的翻轉(zhuǎn)電平，使輸入緩慢變化或不太規(guī)則變化的邊沿整形成陡峭的邊沿。為了使輸入的信號(hào)同相，使用兩級(jí)反相器，使整形作用更好，而且不改變輸入信號(hào)的相位。整形后的信號(hào) 、 、 分兩路送入單片機(jī)。一路用于測(cè)速，另一路用于確定相順序。1H23 正反轉(zhuǎn)控制表 檢測(cè)信號(hào)與逆變橋的控制關(guān)系表8 9U1D74HC1412 13U1F74HC1410 11U1E74HC1434U1B74HC1456U1C74HC1412U1A74HC14U26N136U36N136U46N136R41KR51KR61KHaHbHcR21KR11KR31KVCC15VC1103C2103103上 上 上基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 25 捕獲單元狀態(tài) 正向電動(dòng) 正向制動(dòng) 反向電動(dòng) 反向制動(dòng)101 Q6Q1 Q3Q4 Q3Q4 Q6Q1001 Q1Q2 Q4Q5 Q4Q5 Q1Q2011 Q2Q3 Q5Q6 Q5Q6 Q2Q3010 Q3Q4 Q6Q1 Q6Q1 Q3Q4110 Q4Q5 Q1Q2 Q1Q2 Q4Q5100 Q5Q6 Q2Q3 Q2Q3 Q5Q6000 禁止111 禁止基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 26 只要改變開(kāi)關(guān)管的通電順序就可以實(shí)現(xiàn)直流伺服電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。檢測(cè)信號(hào)與逆變橋的控制關(guān)系如表 所示。通過(guò)表中的導(dǎo)通關(guān)系，在軟件中設(shè)置一個(gè)列表，進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制時(shí)，只要查詢(xún)?cè)摫碚{(diào)用相應(yīng)的控制字即可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。 電流檢測(cè)電路在該電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，為了得到較好的動(dòng)態(tài)性能，以及對(duì)主電路電流進(jìn)行監(jiān)控，需要對(duì)主電路電流信號(hào)進(jìn)行采樣反饋。相電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的目的是對(duì)主電路電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。采樣電流信號(hào)一般情況下有兩種方式：采樣電阻和電流傳感器。采樣電阻可以直接將主電路電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)送給控制電路，簡(jiǎn)單、方便、而且頻響好、輸出電壓直接正比于主電路流過(guò)的電流 [16][17]。因此在本設(shè)計(jì)方案中采用一個(gè)旁路采樣電阻來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的相電流，電阻位于三相全控功率變換電路的下端功率橋臂和地之間，阻值根據(jù)實(shí)際選 。為了對(duì)功率W1/.0?控制電路電流進(jìn)行采樣，又與主控電路隔離，可選用安捷倫公司生產(chǎn)的線性光藕HCPL7800，該芯片的電流采樣典型應(yīng)用電路如圖 所示。圖 HCPL 的電流采樣放大典型應(yīng)用電路控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)主功率電路的母線電流，即相電流，利用采樣電阻和運(yùn)放將小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為在 之間變化的模擬電壓信號(hào)，再通過(guò) HCPL7800 ~1.離放大器實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制器的 ADC 模塊與采樣電路之間的隔離，最后將其輸入單片機(jī)控制器的 A/D 轉(zhuǎn)換單元，變換為數(shù)字的電流信號(hào)。本系統(tǒng)利用功率驅(qū)動(dòng)采樣電阻上的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理以后，送到單片機(jī)某一路 A/D 轉(zhuǎn)換通道，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換以后，所得到的結(jié)果即可用于電流調(diào)節(jié)器和系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)裝置。電流檢測(cè)電路如圖 所示?；?80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 27 圖 4. 6 電流檢測(cè)電路 主功率和驅(qū)動(dòng)電路 主功率電路經(jīng)過(guò)前面的探討，系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制法來(lái)控制電機(jī)的端電壓。構(gòu)成直流斬波器的開(kāi)關(guān)器件過(guò)去用的較多的是普通晶閘管，它們本身沒(méi)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)、場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET )、絕緣柵雙極晶體管(IGBT )等。電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)是飽和壓降低、載流密度大，但是驅(qū)動(dòng)電流較大。電力場(chǎng)效應(yīng)管是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流的，因此它的一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高，但是電力 MOSFET 的電流容量小、耐壓低、導(dǎo)通壓降大，適用于小功率電力電子裝置。由于功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)是一種單極型電壓控制器件，具有開(kāi)關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)良、無(wú)二次擊穿問(wèn)題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等顯著特點(diǎn)，因而在各類(lèi)中小功率開(kāi)關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用 [17]。因此本控制系統(tǒng)使用功率 MOSFET 作為功率開(kāi)關(guān)器件。功率開(kāi)關(guān)器件的選取非常關(guān)鍵，如果選擇的功率管容量、耐壓過(guò)大，則將大幅增加控制系統(tǒng)的成本。如果功率管的耐壓及電流容量偏小，則在工作過(guò)程中經(jīng)常無(wú)端出現(xiàn)管子燒毀的現(xiàn)象。純硬件原理樣機(jī)的主功率及其驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案采用 DCAC 三相橋式逆變電路，主功率電路如圖 所示。V24因?yàn)殡姍C(jī) ， ，所以主功率開(kāi)關(guān)器件 采用 IR 公司生產(chǎn)的24VNU? 6~1Q快速 MOSFET 管 IRF121，參數(shù)如表 所示。VDD11VIN+2VIN3GND4 GND2 5VOUT 6VOUT+ 7VDD2 8U1 HCPL7800VCC VCCC3C2C1103761U2BLM339R1R210K2 R410KR6200ΩR5100ΩC4C5DW1+5VR310K VCCR7Ia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) 28 表 IRF121 參數(shù)表圖 主功率電路續(xù)流二極管 選用快速恢復(fù)二極管 ，額定電流為 ，額定電壓為 ，恢復(fù)時(shí)間A3V40為 。對(duì)輸入端和輸出端接有感性元件時(shí)，如控制接觸器的線圈等，則在它們兩端nS10并聯(lián)續(xù)流二極管（直流電路）和阻容吸收電路，以抑制電路斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的電弧對(duì)功率電路的影響。RC 吸收回路的 R 值越大，線圈兩端的電壓越高，要考慮線圈的絕緣水平是否工作在安全區(qū)；R 的值越小，線圈（內(nèi)電阻）要承擔(dān)部分的磁能損耗，且回路總電阻值小，能量損耗就慢，電機(jī)去磁就較慢（因?yàn)榛芈冯娏髟跀嚅_(kāi)電源時(shí)的大小是一樣的） ，當(dāng)然，電容器的取值也致關(guān)重要，電容器能否吸收線圈中的磁能。這樣分析，電容只是在線圈工作過(guò)程中，起隔離直流（能減去吸收回路中 R 的損耗）作用，不會(huì)減輕線圈的損耗，使用二極管，能隔離 R 在線圈工作時(shí)的損耗。電阻和電容參數(shù)計(jì)算如下： fIC???810)5~.2(（） dfII367.直流電流值。d由電機(jī)電流為 ， ， ?24VNU15WNP?型號(hào) 額定電壓（V ）額定電流（A）最高耐溫(℃)內(nèi)阻（導(dǎo)通）（Ω）電容（pF ）最大電流（A）最大功率（W）IRF121 60 8 5 600 32 400D1IN5822Q1IRF121D4IN5822Q4IRF121D2IN5822Q2IRF121D5IN5822Q5IRF121D3IN5822Q3IRF121D6IN5822Q6IRF121M1M4M2M5M3M6DC24V321M1BLDCMR11K/1WD7IN4004C150V/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) 29 FC?09.~)5~.2(????（）選用 電容。VF/.?電阻的選擇： ~)4~2(???fIR選用 電阻。K1電阻功率選擇： 2/)10)2(5. RfPcfvR ?????（）， 為晶閘管或 MOSFET 頻率。 U 為電壓的有效值。則).~1(Ufv cf WR 12/)01])25(42[5. 2??????選用 的電阻。WK/ 功率驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案選用美國(guó)國(guó)際整流器公司最新開(kāi)發(fā)的高性能集成六路輸出MOS 門(mén)極驅(qū)動(dòng)芯片 IR2130 作為六只開(kāi)關(guān)功率管的驅(qū)動(dòng)，IR2130 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 信 號(hào) 輸 入發(fā) 生 器信 號(hào) 輸 入發(fā) 生 器信 號(hào) 輸 入發(fā) 生 器 脈 沖 發(fā)生 器 電平 移 位脈 沖 發(fā)生 器 電平 移 位脈 沖 發(fā)生 器 電平 移 位封 鎖邏 輯 故 障邏 輯 鎖 存 器鎖 存 器鎖 存 器 放 大放 大放 大放 大放 大放 大過(guò) 壓 檢 測(cè)+－1HIN23I1LN2I3FAULTCVITRPCAOCASV?1VB1VSHO2BHO2VS3VSHO3B1LO2LO3LOSV比 較 放 大置 位復(fù) 位復(fù) 位復(fù) 位置 位置 位1HL2H3HLL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) 30 圖 IR2130 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖IR2130 的工作原理正常工作時(shí)，當(dāng)外部電路不發(fā)生過(guò)電流，直通故障，且 IR2130 的工作電壓源不欠壓，以及脈沖處理電路和電平移位器 PGLS 輸出高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)不發(fā)生欠壓情況時(shí)，則從封鎖邏輯 CLEAR 故障邏輯處理單元 FAULT 及欠電壓檢測(cè)器 LVD 和 UVDR來(lái)的封鎖信號(hào)均無(wú)效。從脈沖形成部分來(lái)的六路脈沖信號(hào)，經(jīng)三個(gè)輸入信號(hào)處理器，按真值表處理后，變?yōu)榱份敵雒}沖，其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)三路低電壓側(cè)功率 MOS 管的信號(hào)，經(jīng)三路輸出驅(qū)動(dòng)器放大后，直接送往被驅(qū)動(dòng)功率器件的柵源極。而另外三路高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào) 、 、 先經(jīng)集成于 IR2130 內(nèi)部的三個(gè)脈沖處1H23理和電平移位器 PGLS 中的自舉電路進(jìn)行電位變換，變?yōu)槿冯娢粦腋〉尿?qū)動(dòng)脈沖，再經(jīng)對(duì)應(yīng)的三路輸出鎖存器鎖存，并經(jīng)嚴(yán)格的驅(qū)動(dòng)脈沖欠壓與否檢驗(yàn)后，送到輸出驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功率放大，最后才被加到驅(qū)動(dòng)的功率 MOS 器件的柵源極。IR2130 的典型應(yīng)用電路一旦外電路發(fā)生過(guò)電流或直通，即電流檢測(cè)單元送出的信號(hào)高于 時(shí)，IR2130 內(nèi)部的比較器迅速翻轉(zhuǎn)，促使故障邏輯輸出單元 FAULT 輸出低電平，一則封鎖三路輸入脈沖處理器 ISG 的輸出，使 IR2130 的輸出全為低電平，保證六個(gè)被驅(qū)動(dòng)的功率 MOS 器件的柵源極迅速反偏而全部截止，保護(hù)功率管；另一方面，經(jīng) IR2130 的8 腳輸出信號(hào)，封鎖脈沖形成部分的輸出或給出聲光報(bào)警。若發(fā)生 IR2130 的工作源欠電壓，則欠壓檢測(cè)器 UVD 迅速翻轉(zhuǎn)，同以上分析一樣，可得到被驅(qū)動(dòng)功率器件全部截止而可得到可靠保護(hù)，并從 FAULT 腳得到故障信號(hào)的結(jié)果。 IR2130 的典型應(yīng)用電路如圖 所示：VCC..FAULTITRIPCAOCAVssVsoIR2130C3 R1R2R4R5 C4R3VR2VR1