【正文】 器及磁敏二極管等 [5]?；魻栃韴D如 所示： 圖 a 霍爾效應原理示意圖 圖 b 霍爾開關應用電路 RV C C霍 爾集 成芯 片123上 拉電 阻V o u t基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬 件設計 6 在長方形半導體薄片上通以電流 HI ，當將半導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 和磁感應強度 B 構成的平面相垂直的方向上會產生一個電動勢 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)。隨著半導體技術的發(fā)展，將霍爾元件與附加電路封閉為三端模塊，構成霍爾集成電路。通常采用開關型霍爾集成電路作為位置傳感元件。 使用霍爾開關構成位置傳感器通常有兩種形式。第二種是直接將霍爾開關敷貼在定子電樞鐵心表面或繞組端部緊靠鐵心處，利 用電機轉子上永磁體主磁極作為傳感器的永磁體，根據霍爾開關的輸出信號即可判定轉子位置。電角度，傳感器永磁體的極弧寬度為 180176。電角度、相位互差 120176。 直流伺服電動機轉子位置傳感器輸出的脈沖信號通過單片機控制器的 CAP 捕獲電路送入單片機控制器作為轉子位置和速度的反饋信號，當任意一相轉子位置信號發(fā)生變化時，產生中斷，在中斷處理程序中實現(xiàn)電機換相。 電子換向電路 電子換向電路的作用是將位置傳感器檢測到的轉子位置信號進行處理，按一定的邏輯代碼輸出，觸發(fā)功率開關。因此，所謂直流伺服電動機，就其基本結構而言，可以認為是一個由電子換向電路、永磁式同步電動機以及位置傳感器三者共同所組成的閉環(huán)系統(tǒng)。功率邏輯控制開關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系分配給直流無刷電動機定子上的各相繞組，以便使電動機產生持續(xù)不斷的轉矩。 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。隨著新型可關斷全控型器件的發(fā)展，在中小功率的電動機中換向器多由功率 MOSFET 或 IGBT 構成，具有驅動容易、開關頻率高、可靠性高等諸多優(yōu)點 [4][12]。直流伺服電動機的運行原理和有刷直流電機基本相同，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，以產生恒定的轉矩，且轉矩只與電樞電流的大小有關。隨著轉子的轉動，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體中的電流方向不變。直流伺服電動機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 為六個功率器件，起繞組的開關和驅動作用。電角度）換相一次，每次換相一個功率管，每一功率管導通 120176。各功率管的導通順序 51 → 61 → 62 → 42 → 43→ 53 → 51 。二相導通的星形三相六狀態(tài)的導通順序表如表 所示。因此在這里采用 dq 變換理論己經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。在此，直接采用相變量法，根據轉子位置，采用分段線性表示感應電動勢。并作以下假設： 1．定子繞組為 60176。 電壓平衡方程 由電機電壓平衡方程 （ ） 對于三相直流伺服電動機，方程可寫成 EddLRU tii ???基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬 件設計 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 、 baL 、 bcL 、 caL 、 cbL 為三相定子繞組間互感； P 為微分算子。則有： aaL ＝ bbL ＝ ccL ＝ L （ ） abL ＝ acL ＝ baL ＝ bcL ＝ caL ＝ cbL ＝ M （ ） aR ＝ bR ＝ cR ＝ R （ ） 又因為在三相對稱的電機中存在 0??? cba iii 因而 0??? cba MiMiMi ， 故方程經整理可得： （ ） 轉矩方程 直流伺服電動機的電磁轉矩方程與普通直流電動機相似，其電磁轉矩大小與磁通和電流幅值成正比，即 （ ） 其中： ? 為電機的角速度； nP 為電機的極對數(shù)。 傳遞函數(shù) 直流伺服電動機的運行我和傳統(tǒng)直流電動機基本相同，其動態(tài)結構圖可以采用直流電動機通用的結構圖，如圖 所示： 圖 直流伺服電動機動態(tài)結構圖 由直流伺服電動機動態(tài)結構圖得其傳遞函數(shù)為： （ ） 上式中： K1為電動勢傳遞函數(shù)系數(shù)， eCK /11 ? ， eC 為電動勢系數(shù)； 2K 為轉矩傳遞系數(shù)， teCCRK /2 ? ； R 為電動機內阻， tC 為轉矩系數(shù)； mT 為機電時間常數(shù)， tem CCRG DT 3 7 5/2? ， G 為轉子重量， D 為轉子直徑。所以直流伺服電動機的調速方法也和有刷直流電動機的調速方法相似。改變電樞回路電阻調速；調節(jié)電樞端電壓調速 [15]。式 表明，無直流電機的轉速公式與直流電動機的轉速公式十分相似，可證明，當氣隙分布為方波，電機繞組為整距集中時，直流伺服電動機的轉速公式與直流電機完全一樣。該方法的主要優(yōu)點有：降壓特性曲線是一族與固有特性平行的直線，無論滿載、輕載還是空載，都有明顯得調速效果 。因此這種調速方法被廣泛應用在對起動、制動和調速性能要求較高的場合。常用的可控直流電源有三種：旋轉變流機組、靜止可控整流器、直流斬波器或脈寬調制變換器。它是用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用開關器件來實現(xiàn) 通斷控制，將直流電壓斷續(xù)加到負載上，通過通、斷電時間的變化來改變負載上直流電壓的平均值，將固定直流電源變成平均值可調的直流電源。目前斬波器大都采用既能控制其導通又能控制其關斷的全控型器件，如功率晶體管 (GTR)，可關斷晶閘管 (GTO)、電力場效應管 (PMOSFET)、絕緣柵雙極晶體管 ((IGBT)等。 電磁轉矩 直流伺服電動機的電磁轉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 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬 件設計 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)的儀器或設備，必然對其直流伺服電動機控制系統(tǒng)都有相應的靜、動態(tài)性能要求。由于直流伺服電動機控制系統(tǒng)轉速靜差率的存在，采用開環(huán)控制技術不能消除靜差率，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)控制技術實現(xiàn)的 [10]。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。為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，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。這就是說，把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制功率開關管的觸發(fā)裝置，????????? ?????+ +TAV??*nUnU*iUiUcU dU?????????????GT基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬 件設計 13 進而控制功率開關管的導通與關斷，從而實現(xiàn)對直流伺服電動機轉速、 電流或轉矩的控制 [24]。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)等效結構圖，如圖 所示。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 。圖中)(sWASR 和 )(sWACR 分別表示轉速和電流調節(jié)器。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動過程的轉速和電流的波形如圖 所示。 主控單元 為滿足系統(tǒng)實時性，快速響應性，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。它在 MCS96基礎上，結構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。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用，因此它必將在我國的數(shù)字控制領域廣泛采用，也將帶來可觀的經濟效益和社會效益。其主要技術指標為： （ 1） MHz168? 工作頻率， 16 位數(shù)據位； （ 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 單片機的結構 80C196MC 是專門為電機高速控制所設計的一款 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、邏輯運算部分 RALU，寄存器集，內部 A/D 轉換器、事件處理陣 列（ EPA）、兩個定時器和一個脈寬調制單元 PWM 等部分構成。 基于 80C19 單片機伺服電機調速系統(tǒng)軟硬 件設計 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)。 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)都當作累加器，從而避免了使用單個累加器而易產生的瓶頸效應；其高 256 字節(jié)用作寄存器 RAM， 80C196MC 可利用其獨特的窗口技術， 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。這些特殊功能寄存器也可通過使用窗口技術將它們切換到寄存器區(qū)，以達到高速操作的要求。 3Phase Complementary Waveform Generator 波形發(fā)生器 WFG 是 80C196MC 獨具的特點之一。 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。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。通過設置SPWM 信號發(fā)生器內的重裝寄存器來設 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)相對應的 SPWM 波直到重新裝入新的常數(shù)為止。在使用 MHz16 晶振時，死區(qū)時間可在 SS ?? 125~ 之間設定。其中 EPA 用于處理與輸入輸出有關的事件，相當于 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)器與用戶設定的常數(shù)。 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程序，設置完畢就可自動執(zhí)行，不需 CPU 干預，任何一種中斷方式（非屏蔽中斷 NMI 除外），均可以設置成 PTS 工作方式，主要包括數(shù)據塊的傳送、 A/D 轉換、事件處理等。若將 A/D 轉換設置成 PTS方式，則 A/D 轉換將由 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]。這一功能在工業(yè)控制領域具有廣泛的應用前景。另外，它 還提供了兩個脈寬調制單元（ PWM），這兩個脈寬調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