【正文】 .......................... 40 A/D 轉(zhuǎn)換子程序 ........................................................................................ 40 波形發(fā)生控制程序 ................................................................................... 42 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 45 致謝 ............................................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 基于 80C196MC 單片機(jī)直流伺服電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) II 基于 80C196MC 單片機(jī)直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 摘要 本文主要論述三相直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。直流伺服電機(jī)內(nèi)置 3 個(gè)霍爾傳感器，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，決定電機(jī)的換相，系統(tǒng)根據(jù)該信號(hào)計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用于實(shí)現(xiàn)速度反饋控制。 軟件方面根據(jù)直流伺服電動(dòng)機(jī)的組成、脈寬調(diào)制和工作原理，結(jié)合 80C196MC 的硬件部分和 軟件編程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件。 關(guān)鍵字 ：直流伺服電動(dòng)機(jī)； 16 位單片機(jī)；位置傳感器；閉環(huán)系統(tǒng)； MOSFET；功率驅(qū)動(dòng) 基于 80C196MC 單片機(jī)直流伺服電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) III The designations of the BLDCM velocity modulation system based on the 80C196MC single chip microputer Abstract This article mainly discusses the designations of threephase BLDCM velocity modulation system. The master controlled unit is BLDCM specialpurpose control chip 80C196MC, assistances with the keyboard, the monitor, examines the electric circuit, the power electric circuit, actuates the electric circuit, the protection circuit and so on. The BLDCM with 3 Hall sensors establishing inside, to exam the position of the rotor and decide the phase change of electrical machinery, the system calculates the rotational speed of the electrical machinery to realize the velocityfeedback control according to the Hall signal. The rotational speed of the system is offered by the keyboard entry, and the realtime rotational speed can be display。 The power actuation selects the integrated chip IR2130 with protection circuit and overelectric current output , which can realize the electrical machinery’s highfrequency and quickstarting。 6bit Singlechip Microputer。 Closedloop system。 Power actuation. 基于 80C196MC 單片機(jī)直流伺服電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) I 第 1 章 緒論 直流伺服電動(dòng)機(jī)發(fā)展及現(xiàn)狀 傳統(tǒng)直流電機(jī)采用機(jī)械機(jī)構(gòu)（電刷）進(jìn)行換向，因而存在機(jī)械摩擦，并由此帶來(lái)電磁噪聲、換向火花、以及壽命短等缺點(diǎn)，再加上制造成本高、維修困難，從而極大的限制了它的發(fā)展和應(yīng)用范圍。經(jīng)過(guò)幾十年的努力，終于在 60 年代實(shí)現(xiàn)了這一愿望。但是釤和 鈷的價(jià)格昂貴，限制了永磁無(wú)刷電機(jī)的前進(jìn)步伐。 進(jìn)入 90 年代以來(lái)，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導(dǎo)體功率器件，如 GTR、 MOSFET、 IGBT、 MCT 等相繼問(wèn)世，以及微處理器、大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，逆變裝置也發(fā)生了根本性的變化。同時(shí)，永磁材料的性能不斷提高和完善，特別是 釹、 鐵 、 硼永磁材體的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善，加上永磁電機(jī)研究和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，稀土永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)進(jìn)入一個(gè)新階段，目前正朝著超高速、高轉(zhuǎn)矩，高功能化、微型化方向發(fā)展 [3]。它由一臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)的本體，一套電子換向開(kāi)關(guān)電路（又稱逆變器） ,和轉(zhuǎn)子位置傳感器所組成 。直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞繞組像交流電機(jī)的繞組一樣，采用多相形式，經(jīng)由逆變器接到直流電源上，定子采用位置傳感器實(shí)現(xiàn)電子換相來(lái)代替有刷直流電機(jī)的電刷和換向器，各相逐次通電產(chǎn)生電流，定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁極主磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，也就沒(méi)有了勵(lì)磁損耗，又由于主磁場(chǎng)是恒定的，因此鐵損也是極小的 (在方波電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，電樞磁勢(shì)的軸線是脈動(dòng)的， 會(huì)在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)產(chǎn)生一定的鐵損，采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)比方波電流鐵損更小 )。 直流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用 由于直流伺服電動(dòng)機(jī)既具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等 一系列優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好的特點(diǎn)，故在當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如醫(yī)療器 械、儀表儀器、化工、輕紡以及家用電器等方面的應(yīng)用日益普及。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，在功率不大于 KW10 且連續(xù)運(yùn)行的情況下，為 了減少體積，節(jié)省材料，提高效率和降低能耗，越來(lái)越多的電機(jī)正被直流伺服電動(dòng)機(jī)逐步取代，這類應(yīng)用 :有自動(dòng)門(mén)、電梯、水泵、風(fēng)機(jī)等。 調(diào)速驅(qū)動(dòng)機(jī) 械 速度需要任意設(shè)定和調(diào)節(jié)，但控制精度要求不高的調(diào)速系統(tǒng)分為兩種 :一種 是開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，另一種是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) (此時(shí)的速度反饋器件多采用低分辨率 的脈沖編碼器或交、直流測(cè)速等 )。這在包裝機(jī)械、食品機(jī)械、印刷機(jī)械、物料輸送機(jī)械、紡織機(jī)械和交通車輛中有大量應(yīng)用 [6][7]。近幾年來(lái)，由于直流伺服電動(dòng)機(jī)體積小、重量小和高效節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)，中小功率的交流變頻系統(tǒng)正逐步被直流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)所取基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 3 代，特別是在紡織機(jī)械、印刷機(jī)械等原來(lái)應(yīng)用變頻系統(tǒng)較多的領(lǐng)域，而在一些直接由電池供電的直流電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，則更多的由直流伺服電動(dòng)機(jī)所取代。直流伺服電動(dòng)機(jī) 由于其良好的控制性能，在高速 、高精度定位系統(tǒng)中逐步取代了直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)，成為其首選的伺服電機(jī)之一。 課題主要研究?jī)?nèi)容 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(pán)、顯示、檢測(cè)反饋電路，研制三相大功率永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)。從直流伺服電動(dòng)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。 2．對(duì)單片機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)進(jìn)行探討，對(duì)本文中將使用到的 80C196MC 做了重點(diǎn)論述，并設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的有位置傳感器控制方案。根據(jù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和所采用的控制策略，調(diào)速系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的軟件構(gòu)成。 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) 4 第 2 章 直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程 直流伺服電動(dòng)機(jī)是近幾十年來(lái)隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型電動(dòng)機(jī)，其基本工作原理是借助反映轉(zhuǎn)子位置的位置信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)逆變電路的功率開(kāi)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(chǎng)，拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 直流伺服電動(dòng)機(jī)基本組成 直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 所示。 圖 直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 電動(dòng)機(jī)本體 直流伺服電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電機(jī)相似，但沒(méi)有籠形繞組和其它氣動(dòng)裝置。 圖 中的電動(dòng)機(jī)為三 相兩極。位置傳感器負(fù)責(zé)跟蹤轉(zhuǎn)子并電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。由于電子開(kāi)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。當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)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(hào)，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。目前在直流無(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)位置測(cè)量。但這種傳感器的信噪比低，同時(shí)其輸出波形為交流，一般需要經(jīng)過(guò)整流、濾波后才可使用。這類傳感器性能比較穩(wěn)定，但存在輸出信號(hào)信噪比較大、光源燈泡壽命短、使用環(huán)境要求高等缺點(diǎn)。目前常見(jiàn)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]。霍爾效應(yīng)原理圖如 所示： 圖 a 霍爾效應(yīng)原理示意圖 圖 b 霍爾開(kāi)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(jì) 6 在長(zhǎng)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(chǎng)中，并將其與外磁場(chǎng)垂直時(shí)，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(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì) HE ，稱其為霍爾電動(dòng)勢(shì)，其大小為： BIKE HHH ? 式中， HK 為霍爾元件的靈敏度系數(shù)。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。通常采用開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路作為位置傳感元件。 使用霍爾開(kāi)關(guān)構(gòu)成位置傳感器通常有兩種形式。第二種是直接將霍爾開(kāi)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(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)即可判定轉(zhuǎn)子位置。電角度，傳感器永磁體的極弧寬度為 180176。電角度、相位互差 120176。 直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的脈沖信號(hào)通過(guò)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(hào)，當(dāng)任意一相轉(zhuǎn)子位置信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生中斷，在中斷處理程序中實(shí)現(xiàn)電機(jī)換相。 電子換向電路 電子換向電路的作用是將位置傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行處理，按一定的邏輯代碼輸出，觸發(fā)功率開(kāi)關(guān)。因此，所謂直流伺服電動(dòng)機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一個(gè)由電子換向電路、永磁式同步電動(dòng)機(jī)以及位置傳感器三者共同所組成的閉環(huán)系統(tǒng)。功率邏輯控制開(kāi)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(wú)刷電動(dòng)機(jī)定子上的各相繞組，以便使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。 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。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(dòng)機(jī)中換向器多由功率 MOSFET 或 IGBT 構(gòu)成，具有驅(qū)動(dòng)容易、開(kāi)關(guān)頻率高、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn) [4][12]。直流伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理和有刷直流電機(jī)基本相同，即在一個(gè)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)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，位置傳感器不斷地送出信號(hào)，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。直流伺服電動(dòng)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。所以我們采用三相全控式電路，如圖 所示。 1Q 、 2Q ?? 6Q 為六個(gè)功率器件，起繞組的開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)作用。電角度）換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每一功率管導(dǎo)通 120176。各功率管的導(dǎo)通順序 51 → 61 → 62 → 42 → 43→ 53 → 51 。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。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?yàn)?dq 方程只適用于氣隙磁場(chǎng)為正弦分布的電動(dòng)機(jī)。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(dòng)勢(shì)。并作以下假設(shè)： 1．定子繞組為 60176。 電壓平衡方程 由電機(jī)電壓平衡方程 （ ） 對(duì)于三相直流伺服電動(dòng)機(jī)，方程可寫(xiě)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(jì) 9