【正文】 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 ，它們通過固定件固定在電機(jī)機(jī)?15座上，為了以后討論方便。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) 24 選 45W 雙輸出變壓器，共有兩路輸出，一路為 12V，另一路為 24V。達(dá)林頓管選用 MAXIUM(美信)公司的 2N6038，基 ， ，WPCM40?AICM4?， ，穩(wěn)壓管使用 IN6009，最大耗散功率為 ，穩(wěn)壓值為VCEO60?250?FEH5.，最大工作電流為 。由于主電流電流較大，不適合使用三端穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓。7812 輸出 用于運(yùn)算放大器、功率驅(qū)動(dòng)器、高共模抑制比隔離運(yùn)算放大器；12?另一塊輸出 用于單片機(jī)、光電隔離器、或門、LED 驅(qū)動(dòng)、施密特觸發(fā)器等。為了改善穩(wěn)壓器的瞬V35V512態(tài)響應(yīng)須在輸出端加接一只并聯(lián)電容，其值約為 。其中控制電路組經(jīng)整流橋整流后，再用 電容濾波， 電容過濾高頻；F?20pF410BRIDGE1 Vin1 GND2 Vout 3U27805C12200μF C3104 Vin1 GND2 Vout 3U17812 C4103AC220V 1TRANS4 AC12VBRIDGE1 L1C22200μFAC24V +5V+12VQ1 NPN +24VR12K Z124V C5103C6100μF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 然后使用兩塊穩(wěn)壓塊。 供電電源設(shè)計(jì)供電電路分別為單片機(jī)、運(yùn)算放大器、功率驅(qū)動(dòng)芯片和無(wú)刷電機(jī)提供電源。因此，數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。模擬控制系統(tǒng)價(jià)格便宜，使用方便，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，它們是構(gòu)成各類電機(jī)控制系統(tǒng)的主要手段。80C196MC 是控制部分的核心，它參與整個(gè)系統(tǒng)的控制與管理，并用來(lái)完成速度、電流的雙閉環(huán)全數(shù)字 PI 調(diào)節(jié)，三路位置信號(hào)的邏輯處理以及輸出三80C196MCIR2130功 率模 塊 無(wú) 刷電 機(jī)過 壓檢 測(cè) 電 流檢 測(cè)鍵盤輸入狀態(tài)顯示 轉(zhuǎn) 子位 置 檢 測(cè)整 形電 路 六 路 ~~~. 中 斷 口NI捕 捉 ~ 度 計(jì) 算P0. 電 流變 換A/D口 流檢 測(cè)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) 22 相六路的 SPWM 波；監(jiān)測(cè)電路完成系統(tǒng)的位置、速度、電流的檢測(cè)處理，使系統(tǒng)有機(jī)地運(yùn)行；保護(hù)電路完成系統(tǒng)的過壓、欠壓、過流、過熱等各種故障信號(hào)自診斷保護(hù)功能，確保系統(tǒng)能安全可靠地工作；驅(qū)動(dòng)電路采用 MOSFET 專用驅(qū)動(dòng)模塊，除完成光電隔離驅(qū)動(dòng)外，其本身還具有 MOSFET 過流檢測(cè)和過流軟關(guān)斷功能，能對(duì)每個(gè)主開關(guān)元件進(jìn)行有效的過流保護(hù)。其中的三相整流橋和 MOSFET 逆變橋都是模塊形式，且都固定在同一片散熱器上，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。圖 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)總體框圖1．機(jī)組部分電機(jī)定子繞組三相雙極星形連接，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)為梯形波；在轉(zhuǎn)軸上安裝有霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器，在機(jī)座上安裝有三個(gè)互差 電角度的霍爾定子位置傳?120感器，輸出三個(gè)脈寬為 電角度的位置信號(hào)，用作系統(tǒng)的位置及速度檢測(cè)。兩個(gè)定時(shí)器能通過內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器定時(shí)，定時(shí)器 1 還能用于外部信號(hào)源定時(shí) [11][12]。零偏差補(bǔ)償電路也是可編程的，它能夠?qū)崿F(xiàn)偏移的自動(dòng)調(diào)整。8XC196MC 單片機(jī)具有很強(qiáng)的 A/D 轉(zhuǎn)換功能，它具有 13個(gè)通道轉(zhuǎn)換器，能夠完成 10 位或 8 位的高速的 A/D 轉(zhuǎn)換，采樣保持時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間是基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 21 可編程的。PWM 的輸出由波形發(fā)生器的輸出控制寄存器控制。每個(gè)通道的占空比是通過各自的 8 位周期寄存器編程的。波形發(fā)生器（WG ）的每個(gè)信號(hào)都可獨(dú)立編程，具有很大的應(yīng)用靈活性。 80C196MC 單片機(jī)的特點(diǎn)8XC196MC 單片機(jī)的最為顯著的特點(diǎn)就是具有一個(gè)波形發(fā)生器（WG） ，它能產(chǎn)生三對(duì)完美的脈寬調(diào)制信號(hào)，因此特別適合于對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制，也能控制直流伺服電動(dòng)機(jī)以及完成直流到交流的轉(zhuǎn)換。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。80C196MC 具有四個(gè)一致的捕捉/比較模塊和四個(gè)比較模塊，可分別設(shè)置成不同的工作方式。S?125~.080C196MC 還包括事件處理陣列 EPA 及外設(shè)處理服務(wù)功能 PTS。為防止同一橋臂上下兩個(gè)功率 MOSFET 同時(shí)導(dǎo)通造成短路，WFG 可通過編程設(shè)置逆變橋MOSFET 工作時(shí)的死區(qū)互鎖時(shí)間。CPU 可以通過改變其 PWM 信號(hào)的占空比來(lái)加以干預(yù)。WFG 可以產(chǎn)生獨(dú)立的、互補(bǔ)的三對(duì) PWM 波形，但它們有共同的載波頻率、無(wú)信號(hào)時(shí)間和操作方式。這一外設(shè)裝置大大簡(jiǎn)化了用于產(chǎn)生 PWM 波形的控制軟件和外部硬件。80C196MC 的晶振頻率可達(dá)到 ，其執(zhí)行速度很快，同時(shí)其內(nèi)部帶有 13 路 8MHz16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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制響應(yīng)的快速性。80C196MC 的特殊功能寄存器 SFR 除了有 24 個(gè)在寄存器集低端外，其余大部分都位于存儲(chǔ)空間 1F00H－1FFFH。低 256 字節(jié)中的前 24 個(gè)字節(jié)為特殊功能寄存器 SFR?；?80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 18 如圖 所示。同時(shí)，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(zhǎng)期使用，可靠性極高 [11][12]。Intel8XC196MC 特別適合于電動(dòng)機(jī)等高速控制領(lǐng)域，在美國(guó)工業(yè)界受到了普遍的歡迎和重視。 80C196MC 單片機(jī)簡(jiǎn)介8XC196MC 單片機(jī)是美國(guó)著名的 Intel 公司推出的最新一代單片機(jī)。)(sWASR )(sWACR1?sTKaaRsL?1 ??RJs1tKLTnU*n *iUi ctUU ?tK??I?? ?1?sTKs)(sUct )(sU1)(?ssct??)(sIUai??)(sn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) 16 圖 直流伺服電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形圖nOO ttIdmIdLId*IIIt4t3t2t1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) 17 第 3 章 調(diào)速系統(tǒng)方案確定 無(wú)刷電機(jī)樣機(jī)參數(shù)系統(tǒng)中三相直流伺服電動(dòng)機(jī)各參數(shù)為：額定功率 ，額定電流 ，15WNP??額定電壓 ，額定轉(zhuǎn)速 ，電機(jī)內(nèi)阻 ，繞組電感24VNU?30r/minNn??， 飛輪力矩 ，電動(dòng)勢(shì)常數(shù) 。由于直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與有)(sWASR)(sC刷直流電機(jī)非常相似，所以其雙閉環(huán)起動(dòng)過程與有刷直流電機(jī)也應(yīng)該類似。如果把它們之間的放大系數(shù) 看成常數(shù)，又由于功率開關(guān)UsK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(gè)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(dòng)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖速度、電流的計(jì)算和檢測(cè)可以認(rèn)為是瞬時(shí)的，因此它們的放大系數(shù)也就是它們的傳遞函數(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(lái)，就可以畫出直流伺服電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 所示。 )(sTL )(s?taa KRJsRsL???))((1)(aatRsK?－)(sU無(wú) 刷電 機(jī)轉(zhuǎn) 速 調(diào) 節(jié) 器 電 流 調(diào) 節(jié) 器++ TAV內(nèi) 環(huán)*nUnU*iUi cUdU外 環(huán)速 度 計(jì) 算 轉(zhuǎn) 子 位 置傳 感 器GT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) 15 圖 直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)等效結(jié)構(gòu)圖上圖中， —為電樞電感 ( )， —為電樞電阻( )；aLHaR?—為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，包括電動(dòng)機(jī)軸上輸出轉(zhuǎn)矩和恒定阻力轉(zhuǎn)矩( )；cT mN?—為轉(zhuǎn)矩系數(shù)， —為阻力系數(shù)；tK?—為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度( )，J—為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量( )；?srad/ 2kg?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(shí)往往把它們當(dāng)作一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看待。 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型從圖 直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型中可以看出，直流伺服電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是外加電壓信號(hào) ，另一個(gè)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ；前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入U(xiǎn)LT量。圖 直流伺服電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)圖 中 GT 為驅(qū)動(dòng)控制裝置，V 為功率開關(guān)管， 、 分別為轉(zhuǎn)速給定電壓和nU*轉(zhuǎn)速反饋電壓， 、 分別為電流給定電壓和電流反饋電壓。為了改善直流伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，就很有必要在速度負(fù)反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再引入電流負(fù)反饋環(huán)來(lái)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的電流和轉(zhuǎn)矩。直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)?)(??RIUPde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) 14 速無(wú)靜差，但又不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩，因而常在對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合采用。在一些高、精、尖領(lǐng)域（如航空航天等） ，其對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求可以說(shuō)是相當(dāng)苛刻的。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(dá) 20K 以上)，因此系統(tǒng)的頻帶寬、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng) [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(hào)的占空比來(lái)改變輸入電機(jī)的平均電壓而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。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。通過脈寬調(diào)制變換器進(jìn)行調(diào)制的方法又稱為 PWM（Pulse width modulation)調(diào)制方法。nenCPfE???6021???NCne dUE?????RICdnednedIU???)(21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) 13 調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門的可控直流電源。降壓特性曲線的硬度不變，低速時(shí)由于負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)不大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍大；可以平滑地改變施于電動(dòng)機(jī)的端電壓，從而使轉(zhuǎn)速平滑地調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速；電樞端電壓調(diào)速方法調(diào)節(jié)過程中能量損耗小。調(diào)節(jié)電樞端電壓調(diào)速主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。直流伺服電動(dòng)機(jī)定子繞組，相電勢(shì)幅值由下式確定：（）式中 為電勢(shì)系數(shù)； 為相繞組等效匝數(shù)；1N若考慮線路損耗及電機(jī)內(nèi)部壓降（已歸入 ） ，而且， 導(dǎo)通型逆變器的輸出?R?120電壓幅值為 ，則電機(jī)電勢(shì) 與外加電壓相平衡， ，即dU2/1?E （）（）式中 為回路等效電阻，包括電機(jī)兩相電阻和管壓降等效電阻。有刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法包括：改變電機(jī)主磁通調(diào)速。mT tmGDT375D 直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 電勢(shì)和調(diào)速方法由直流伺服電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型知，直流伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程同一般有刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程在形式上完全一致。?nP在忽略轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的粘滯系數(shù)的假設(shè)下，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可寫為：（）其中： 為電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。P無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)決定了在一個(gè) 電角度內(nèi)轉(zhuǎn)子的磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變?360化，并假定三相繞組對(duì)稱。相帶整距集中繞組，星形連接；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) 10 ?????????????????????????? cbacbacba eiiPMLiiRu 00　 　 　 　 　　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(wú)阻尼作用；4．磁路不飽和，忽略高次磁勢(shì)諧波的影響，忽略磁滯、渦流的影響。為簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型的建立，在電機(jī)模型建立時(shí)，認(rèn)為電機(jī)氣隙是均勻的。而直接利用電動(dòng)機(jī)原有的相變量來(lái)建立數(shù)學(xué)模型既簡(jiǎn)單又能獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果。表 兩兩導(dǎo)通的導(dǎo)通順序表時(shí)間（電角度） （）C?0 61208240360U V W導(dǎo)通順序V W U VBG1 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(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型方波直流伺服電動(dòng)機(jī)的主要特征是反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)的電感為非線性。當(dāng)功率管 導(dǎo)通時(shí)，電流從 管流入 A 相繞組，再?gòu)?C43Q5151Q相繞組流出，經(jīng) 管回到電源。電角度。同時(shí)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(gè)瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔 1/6 周期（60176。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(jì) 9 圖 三相全控橋兩兩導(dǎo)通電路在圖 中，電動(dòng)機(jī)的繞組為星形聯(lián)結(jié)。三相半