【正文】 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，當(dāng)任意一相轉(zhuǎn)子位置信號發(fā)生變化時，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到的轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行處理，按一定的邏輯代碼輸出，觸發(fā)功率開關(guān)。因此，所謂直流伺服電動機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一個由電子換向電路、永磁式同步電動機(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)系分配給直流無刷電動機(jī)定子上的各相繞組，以便使電動機(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，在中小功率的電動機(jī)中換向器多由功率 MOSFET 或 IGBT 構(gòu)成，具有驅(qū)動容易、開關(guān)頻率高、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn) [4][12]。直流伺服電動機(jī)的運(yùn)行原理和有刷直流電機(jī)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(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，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(dǎo)體中的電流方向不變。直流伺服電動機(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。 、 …… 為六個功率器件，起繞1Q26組的開關(guān)和驅(qū)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(dǎo)通 120176。各功率管的導(dǎo)通順序 → → → →5162Q4→ → 。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為正弦分布的電動機(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)電動勢。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（）對于三相直流伺服電動機(jī)，方程可寫成（）式中：、 、 為三相定子相電壓；aubc、 、 為三相定子反電動勢；e、 、 為三相定子相電流；ii、 、 為三相定子相電阻；aRbc、 、 為三相定子繞組自感；L、 、 、 、 、 為三相定子繞組間互感；abcLacb為微分算子。則有：＝ ＝ ＝ aLbcL（） ＝ ＝ ＝ ＝ ＝ ＝ abcabM（） ＝ ＝ ＝ aRbcR（）又因?yàn)樵谌鄬ΨQ的電機(jī)中存在 因而 ，故方0??cbaii 0??cbaii程經(jīng)整理可得：EdLRUtii?? ????????????????????????? cbacbcaabcba eiiPLiiRcu0　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) 11 （） 轉(zhuǎn)矩方程直流伺服電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程與普通直流電動機(jī)相似，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流幅值成正比，即（）其中： 為電機(jī)的角速度； 為電機(jī)的極對數(shù)。LTJ 傳遞函數(shù)直流伺服電動機(jī)的運(yùn)行我和傳統(tǒng)直流電動機(jī)基本相同，其動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以采用直流電動機(jī)通用的結(jié)構(gòu)圖，如圖 所示：圖 直流伺服電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由直流伺服電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖得其傳遞函數(shù)為：（）?)(cbaneieiT??dtTLe???R1 tC)(sU )(sTe)(sTL )(snSGD2375)(sI)(sE? ??? eCLmmTsKsUTsn????1)(1)(2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) 12 上式中：K 1 為電動勢傳遞函數(shù)系數(shù)， ， 為電動勢系數(shù)；eCK/1?為轉(zhuǎn)矩傳遞系數(shù)， ； 為電動機(jī)內(nèi)阻， 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；2 teR/2?t為機(jī)電時間常數(shù)， ， 為轉(zhuǎn)子重量， 為轉(zhuǎn)子直徑。所以直流伺服電動機(jī)的調(diào)速方法也和有刷直流電動機(jī)的調(diào)速方法相似。改變電樞回路電阻調(diào)速；調(diào)節(jié)電樞端電壓調(diào)速 [15]。式 表明，無?R直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式與直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式十分相似，可證明，當(dāng)氣隙分布為方波，電機(jī)繞組為整距集中時，直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式與直流電機(jī)完全一樣。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)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(diào)速效果。因此這種調(diào)速方法被廣泛應(yīng)用在對起動、制動和調(diào)速性能要求較高的場合。常用的可控直流電源有三種：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、靜止可控整流器、直流斬波器或脈寬調(diào)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(guān)器件來實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過通、斷電時間的變化來改變負(fù)載上直流電壓的平均值，將固定直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源。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。 電磁轉(zhuǎn)矩直流伺服電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可由電機(jī)的電磁功率 和角速度 求得eP?（）將式 、 和式 代入上式得 dneINT??12（） 直流伺服電動機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)都有相應(yīng)的靜、動態(tài)性能要求。由于直流伺服電動機(jī)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(zhǔn)、快的三個基本要求，故在實(shí)際工程應(yīng)用中的直流伺服電動機(jī)控制系統(tǒng)都是采用閉環(huán)控制技術(shù)實(shí)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(fù)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)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(shí)行串級聯(lián)接，直流伺服電動機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 所示。這就是說，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)iU*i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，進(jìn)而控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對直流伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速、電流或轉(zhuǎn)矩的控制 [24]。將擾動輸入量 的綜合點(diǎn)移前，并進(jìn)行等效變換，可得如下直流伺服電動機(jī)動態(tài)LT等效結(jié)構(gòu)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 ，輸出量是直流ctU伺服電動機(jī)的外加電壓 。圖中和 分別表示轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器。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。??? V/rpmeC 主控單元為滿足系統(tǒng)實(shí)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(jī)作為系統(tǒng)的主控單元。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。由于它具有性能高，功能全，用戶使用方便等特點(diǎn)，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(jì)效益和社會效益。其主要技術(shù)指標(biāo)為：（1） 工作頻率，16 位數(shù)據(jù)位；MHz68?（2）6 路互補(bǔ)型控制交流電機(jī)的 SPWM 波形（— ）和兩路用來控制直流電機(jī)的 PWM 波形（— ） ；（3）工作電壓： （數(shù)字部分） ， （模擬部分） ；工作溫度：??—C?40??85 80C196MC 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)80C196MC 是專門為電機(jī)高速控制所設(shè)計(jì)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(yùn)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?；?80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 19 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(yùn)算過程中，不像其它單片機(jī)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(dú)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。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(dá)到高速操作的要求。3Phase Complementary Waveform Generator 波形發(fā)生器 WFG 是 80C196MC 獨(dú)具的特點(diǎn)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A/D轉(zhuǎn) 換 器S/HMUX端 口 0/148字 節(jié)寄 存 器陣 列 微 指 令處 理 器T2 CART定 時 器 2定 時 器 1ALU中 斷控 制 器 存 儲 器控 制 器外 部 事 件處 理 器看 門 狗電 路16K內(nèi) 部存 儲 器事 件處 理 陣 列端 口 2端 口 6 PWM6SP波形 發(fā) 生 器A/D端 口 EPA端 口 波 形 端 口 EXTIN控 制信 號端 口數(shù) 據(jù) /地址 總 線地 址總 線基 準(zhǔn) 電壓 輸 入 模 擬 地 非 屏 蔽中 斷CPU 時 鐘發(fā) 生 器頻 率輸 入基于 80C19 單片機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 20 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(dá) 20mA。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。在使用 晶振時，死區(qū)時間可在MHz16之間設(shè)定。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 和 ，但其功能又SIHO比后者增強(qiáng)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(jì)數(shù)器與用戶設(shè)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(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。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]。這一功能在工業(yè)控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。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(dú)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。在脈寬調(diào)制器內(nèi)還有一個 8 位計(jì)數(shù)器，兩個 8 位 PWM 比較寄存器。PWM 信號經(jīng)平滑濾波后，可變?yōu)槟M信號，實(shí)現(xiàn)高精度的 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換。輸入的模擬電壓和模擬地、參考電壓共同完成轉(zhuǎn)化，結(jié)果還可以用于計(jì)算增益和零偏差。8XC196MC 單片機(jī)的事件處理器陣列 EPA 具有 4 種捕捉/ 比較方式和 4 種只比較方式，它和 TIMER1，TIMER2 定時器共同完成對高速的輸入輸出事件的自動管理。 系統(tǒng)的組成以 80C196MC 為核心構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示，可以分為四個部分，即電機(jī)本體、位置傳感器、主回路和控制回路。?1802．主回路部分主回路由三相全波整流器、充電限流電阻 R、儲能濾波電容C，MOSFET 三相逆變器構(gòu)成，為典型的交 —直— 交電壓型變頻器結(jié)構(gòu)。3．控制回路部分主要有電機(jī)專用單片機(jī)系列芯片 80C196MC、檢測電路、保護(hù)電路和驅(qū)動電路等組成。第 4 章 基于單片機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的直流伺服電動機(jī)控制系統(tǒng)一般由模擬器件以硬接線方式構(gòu)成。然而模擬元件的物理特性決定了它們具有一些本質(zhì)上的缺陷，例如元件老化，特征參數(shù)受溫度影響等，使它很難滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。數(shù)字控制系統(tǒng)一般以可編程微處理器為硬件核心，通過控制軟件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。如圖 所示圖 供電電源電路供電電路中，使用兩組變壓器、使主電路和控制電路分開供電，提高電路的可靠性。穩(wěn)壓塊的作用是將電壓進(jìn)行降壓處理并穩(wěn)定為某一固定的值后輸出，如三端穩(wěn)壓塊 7807812 可將小于 的電壓分別降成穩(wěn)定的 、 。穩(wěn)壓塊比只使用一只穩(wěn)壓二極F?.0管進(jìn)行穩(wěn)壓的電路要好得多，成本也不是很高，所以得到了廣泛的應(yīng)用。V5主電路組變壓器輸出經(jīng)濾波電容后再經(jīng)過平波電抗器，使輸出的直流電流更平滑，也可以有效抑制電路中的瞬時過流。所以輸出使用由齊納穩(wěn)壓管和達(dá)林頓管構(gòu)成的簡單串聯(lián)穩(wěn)壓電路，具有電路簡單、輸出電流大、穩(wěn)壓效果好，特別是體積小等特點(diǎn) [17]。該電路穩(wěn)壓過程如下：24mA181．當(dāng)輸入電壓不變，而負(fù)載電壓變化時，其穩(wěn)壓過程如下： 2．當(dāng)負(fù)載不變，輸入電壓 U 增加時，其穩(wěn)壓過程如下：3．當(dāng) 增加時，輸出電壓 有升高趨勢，由于三極管Ｔ基極電位被穩(wěn)壓管ＤＺIUOU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。 檢測電路設(shè)計(jì) 位置檢測樣機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖 (a