《伺服電機(jī)控制系統(tǒng)本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì).doc》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《伺服電機(jī)控制系統(tǒng)本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì).doc（72頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、南京郵電大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 題 目伺服電機(jī)控制系統(tǒng) 專(zhuān) 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 班級(jí)學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 指導(dǎo)單位自動(dòng)化學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ，是我個(gè)人在指導(dǎo)教 師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別 加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò) 的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位 或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人 或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 作 者 簽 名：

2、 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說(shuō)明使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和 電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并 提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其 它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊?文的部分或全部?jī)?nèi)容。 作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行 研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本 論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成

3、果作品。對(duì)本 文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位 論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、 縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名：日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 指導(dǎo)教師評(píng)閱書(shū)指導(dǎo)教師評(píng)閱書(shū) 指導(dǎo)教師評(píng)

4、價(jià)：指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)： 一、撰寫(xiě)（設(shè)計(jì)）過(guò)程 1、學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過(guò)程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、學(xué)生掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)、技能的扎實(shí)程度 優(yōu) 良 中 及格 不及格 3、學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)技能分析和解決問(wèn)題的能力 優(yōu) 良 中 及格 不及格 4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性 優(yōu) 良 中 及格 不及格 5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格 二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量 1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫(xiě)規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 三、論文（

5、設(shè)計(jì)）水平 1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格 建議成績(jī)：建議成績(jī)： 優(yōu)優(yōu) 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所選等級(jí)前的內(nèi)畫(huà)“”） 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽名） 單位：?jiǎn)挝唬?（蓋章） 年年 月月 日日 評(píng)閱教師評(píng)閱書(shū)評(píng)閱教師評(píng)閱書(shū) 評(píng)閱教師評(píng)價(jià)：評(píng)閱教師評(píng)價(jià)： 一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量 1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫(xiě)規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任

6、務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 二、論文（設(shè)計(jì)）水平二、論文（設(shè)計(jì)）水平 1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格 建議成績(jī)：建議成績(jī)： 優(yōu)優(yōu) 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所選等級(jí)前的內(nèi)畫(huà)“”） 評(píng)閱教師：評(píng)閱教師： （簽名） 單位：?jiǎn)挝唬?（蓋章） 年年 月月 日日 教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見(jiàn)教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見(jiàn) 教研室（或答辯小組）評(píng)價(jià)：教研室（或答辯小組）評(píng)價(jià)： 一、答

7、辯過(guò)程一、答辯過(guò)程 1、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要點(diǎn)和見(jiàn)解的敘述情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、對(duì)答辯問(wèn)題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格 3、學(xué)生答辯過(guò)程中的精神狀態(tài) 優(yōu) 良 中 及格 不及格 二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量 1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫(xiě)規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格 三、論文（設(shè)計(jì)）水平三、論文（設(shè)計(jì)）水平 1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格 2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格

8、 3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格 評(píng)定成績(jī)：評(píng)定成績(jī)： 優(yōu)優(yōu) 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所選等級(jí)前的內(nèi)畫(huà)“”） 教研室主任（或答辯小組組長(zhǎng)）：教研室主任（或答辯小組組長(zhǎng)）： （簽名） 年年 月月 日日 目錄 目錄.I 第 1 章 緒論- 1 - 1.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)發(fā)展及現(xiàn)狀.- 1 - 1.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用- 1 - 1.2.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn).- 1 - 1.2.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用- 2 - 1.3 課題主要研究?jī)?nèi)容.- 3 - 第 2 章 直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程- 4 - 2.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)基本組成.- 4

9、 - 2.1.1 電動(dòng)機(jī)本體.- 4 - 2.1.2 轉(zhuǎn)子位置傳感器- 5 - 2.1.3 電子換向電路.- 6 - 2.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理.- 7 - 2.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型.- 8 - 2.3.1 電壓平衡方程.- 8 - 2.3.2 轉(zhuǎn)矩方程.- 9 - 2.3.3 傳遞函數(shù).- 10 - 2.4 直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法.- 10 - 2.4.1 電勢(shì)和調(diào)速方法.- 10 - 2.4.2 電磁轉(zhuǎn)矩.- 11 - 2.5 直流伺服電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)- 12 - 2.5.1 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)組成.- 12 - 2.5.2 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型.- 13 - 第 3 章

10、 調(diào)速系統(tǒng)方案確定- 15 - 3.1 無(wú)刷電機(jī)樣機(jī)參數(shù)- 15 - 3.2 主控單元- 15 - 3.2.1 80C196MC 單片機(jī)簡(jiǎn)介.- 15 - 3.2.2 80C196MC 單片機(jī)的結(jié)構(gòu).- 15 - 3.2.2 80C196MC 單片機(jī)的特點(diǎn).- 17 - 3.3 系統(tǒng)的組成.- 18 - 教學(xué)系意見(jiàn)：教學(xué)系意見(jiàn)： 系主任：系主任： （簽名） 年年 月月 日日 第 4 章 基于單片機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)- 19 - 4.1 供電電源設(shè)計(jì).- 19 - 4.2 檢測(cè)電路設(shè)計(jì).- 20 - 4.2.1 位置檢測(cè).- 20 - 4.2.2 整形電路.- 22 - 4.2.3 正反轉(zhuǎn)控制-

11、 22 - 4.2.4 電流檢測(cè)電路.- 23 - 4.3 主功率和驅(qū)動(dòng)電路.- 24 - 4.3.1 主功率電路.- 24 - 4.3.2 功率驅(qū)動(dòng)電路.- 26 - 4.4 過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路.- 29 - 4.4.1 過(guò)流保護(hù)電路.- 29 - 4.4.2 過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路.- 30 - 4.5 鍵盤(pán)與顯示電路.- 30 - 4.5.1 鍵盤(pán)電路.- 30 - 4.5.2 顯示電路.- 31 - 第 5 章基于單片機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) - 33 - 5.1 程序設(shè)計(jì)思想.- 33 - 5.2 主程序.- 33 - 5.2.1 初始化程序- 34 - 5.2.2 鍵處理程序設(shè)計(jì)- 36 -

12、 5.2.3 LED 動(dòng)態(tài)顯示子程序- 37 - 5.3 捕捉中斷服務(wù)程序.- 38 - 5.4 采樣中斷服務(wù)程序.- 39 - 5.4.1 轉(zhuǎn)速計(jì)算子程序.- 40 - 5.4.2 A/D 轉(zhuǎn)換子程序.- 40 - 5.4.3 波形發(fā)生控制程序- 42 - 參考文獻(xiàn)- 45 - 致謝- 47 - 基于 80C196MC 單片機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 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 基于基于 80C196MC80C196MC 單片機(jī)直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)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。主控單元為伺服電機(jī)專(zhuān)用

13、 控制芯片 80C196MC，輔以鍵盤(pán)、顯示器、檢測(cè)電路、功率電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電 路等。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。 系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速由鍵盤(pán)輸入，并能實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速；功率芯片選用性能價(jià)格比較高的 快速 MOSFET；功率驅(qū)動(dòng)選用帶保護(hù)電路和過(guò)流輸出的集成芯片 IR2130，可實(shí)現(xiàn)電機(jī) 的高頻快速起動(dòng)；系統(tǒng)還設(shè)置了電流采樣電路，與速度反饋電路組成雙閉環(huán)系統(tǒng)，可 以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快速起動(dòng)并獲得良好的帶負(fù)載性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求。 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 80C196

14、MC 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。系統(tǒng)軟件分為主程序 和中斷程序兩大主塊，主程序完成系統(tǒng)的初始化， LED 顯示器掃描和鍵盤(pán)功能處理程 序等部分。 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 microcomputer Abstract This article mainl

15、y discusses the designations of three-phase BLDCM velocity modulation system. The master controlled unit is BLDCM special-purpose control chip 80C196MC, assistances with the keyboard, the monitor, examines the electric circuit, the power electric circuit, actuates the electric circuit, the protectio

16、n 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 velocity-feedback control according to the Hall signal.

17、 The rotational speed of the system is offered by the keyboard entry, and the real-time rotational speed can be display; The power chip selects higher performance-to-price ratio and faster MOSFET; The power actuation selects the integrated chip IR2130 with protection circuit and over-electric curren

18、t output , which can realize the electrical machinerys high- frequency and quick-starting; The system also has established the electric current sampling electric circuit, with the velocity feedback electric circuit constituting the doubling closed- loop system, which can realize the electrical machi

19、nery quick- starting and obtain the good load performance, has met the requirements of the design project. Software is painted as a direct motor of the modulation, a wide and principle, the hardware and software 80c196mc programming, design the system of the dc machinery velocity modulation. in soft

20、ware system software application programs, and the two great and complete system of the main program initialization, led display the functions of the processing procedures with the keyboard. Keywords: Brushless DC Motor; 6bit Single-chip Microcomputer; Position sensors; Closed-loop system; MOSFET; P

21、ower actuation. 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) - 1 - 第 1 章 緒論 1.1 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。針對(duì)傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的弊病，早在 20 世紀(jì) 30 年代就 有人開(kāi)始研制以電子換向代替機(jī)械換向的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。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。 在此之后，又相繼出現(xiàn)了新型永磁材料釤鈷、釤鋁、欽鐵硼，它們具有高剩磁密 度，高矯頑力以及高磁能積等優(yōu)異磁性能，

22、使永磁電機(jī)有了較大發(fā)展。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。直到八十年代初期，價(jià)格較低的欽鐵硼 永磁材料研制成功，開(kāi)創(chuàng)了稀土永磁電機(jī)的新紀(jì)元，并為其在民品工業(yè)中的應(yīng)用開(kāi)辟 了廣闊前景，現(xiàn)已在醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、紡織及家用電器等領(lǐng)域日益普及12。 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。這些開(kāi)關(guān)器件本身向著高頻化、大容量、 智能化方向發(fā)展，并出現(xiàn)集半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、信號(hào)處理、自我保護(hù)等功能為一體的智能功 率模塊（正

23、 M）和大功率集成電路，使直流伺服電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一逆變器的成 本降低，且向高頻化、小型化發(fā)展。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。 1.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 1.2.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 直流無(wú)刷電機(jī)是用電子換向代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械換向的一種新型機(jī)電一體化電機(jī)。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)保持著有刷直流電

24、機(jī)的優(yōu)良機(jī)械及控制特性，在電磁結(jié)構(gòu)上和有 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) - 2 - 刷直流電機(jī)一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子上放置永久磁鋼。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。 和有刷直流電機(jī)相比，直流伺服電動(dòng)機(jī)由于取消了電機(jī)的滑動(dòng)接觸機(jī)構(gòu)，因而消 除了故障的主要根源。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

25、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)?？偟恼f(shuō)來(lái)，除了軸 承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磨損外，轉(zhuǎn)子的損耗很小，因而進(jìn)一步增加了工作的可靠性4 5。 1.2.2 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。直流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用主要分為以下幾類(lèi): 定速驅(qū)動(dòng)機(jī)械 一般不需要調(diào)速的領(lǐng)域以往大多是采用三相或單相交流異步和同步電機(jī)。隨著電 力電子技術(shù)的進(jìn)步，在功率不大于且

26、連續(xù)運(yùn)行的情況下，為了減少體積，節(jié)省KW10 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(lèi)應(yīng) 用:有自動(dòng)門(mén)、電梯、水泵、風(fēng)機(jī)等。而在功率較大的場(chǎng)合，由于一次成本和投資較大， 除了永磁電機(jī)外還要增加驅(qū)動(dòng)器，因此目前較少有應(yīng)用。 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)。通常采用的電機(jī)主要有三種:直流電機(jī)、交流異步電機(jī)和直流伺服 電動(dòng)機(jī)。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(chē)輛 中有大量應(yīng)用67。 調(diào)速

27、應(yīng)用領(lǐng)域最初用得最多的是直流電機(jī)，隨著交流調(diào)速技術(shù)特別是電力電子技 術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用，變頻器和交流電動(dòng)機(jī)迅速滲透 到原來(lái)直流調(diào)速系統(tǒng)的絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。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) 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 - 系統(tǒng)所取代，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。 精密控制 伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的高精度控制中扮演了一個(gè)十分重要的角色，應(yīng)用 場(chǎng)合不同，對(duì)

28、伺服電動(dòng)機(jī)的控制性能要求也不盡相同，在實(shí)際應(yīng)用中，伺服電動(dòng)機(jī)有 各種不同的控制形式:轉(zhuǎn)矩控制、電流控制、速度控制、位置控制。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。目前，掃描儀、攝影機(jī)、CD 唱機(jī)驅(qū)動(dòng)、醫(yī)療診斷 CT、 計(jì)算機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)及數(shù)控車(chē)床驅(qū)動(dòng)中等都廣泛采用了直流伺服電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)用于精密 控制8910。 1.3 課題主要研究?jī)?nèi)容 本文以高性能的電機(jī)專(zhuān)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)。系統(tǒng)控制目標(biāo)為： 1實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸入與

29、轉(zhuǎn)速顯示，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制； 2實(shí)現(xiàn)電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，盡量減小超調(diào)量和轉(zhuǎn)差率； 3控制起動(dòng)電流的大小，防止起動(dòng)過(guò)程中過(guò)流； 4實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制， 5設(shè)置合理的電路保護(hù) 根據(jù)系統(tǒng)要求，本人主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究： 1首先探討了直流伺服電動(dòng)機(jī)的發(fā)展進(jìn)程。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。研究了直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理、驅(qū)動(dòng)方法、運(yùn) 行特性及控制規(guī)律。 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。 3設(shè)計(jì)了調(diào)速系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)各主要部分的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的

30、分 析和闡述。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。 4對(duì)控制系統(tǒng)整體性能進(jìn)行了分析，并提出了需要進(jìn)一步研究的若干問(wèn)題。 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 - 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) - 5 - 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)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)依一定規(guī)律變

31、化，從而改變電樞 繞組的通電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。 2.1 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 2.1 所示。它主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和 電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。 圖 2.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 2.1.1 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。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等） ，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極 對(duì)數(shù)（=2，4，）組成。P2 圖 2.1 中的電動(dòng)機(jī)為三相兩極。三相定子繞組分別與電子開(kāi)關(guān)線路中相應(yīng)的功率開(kāi) 關(guān)器件相聯(lián)接，在圖 2.1 中的相、相、相繞組分別與功率開(kāi)關(guān)管、AB

32、C41QQ 、相接。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。當(dāng)定子繞組的63QQ25QQ D1 Q1 NPN D4 Q4 NPN D2 Q2 NPN D5 Q5 NPN D3 Q3 NPN D6 Q6 NPN M1 M4 M2 M5 M3 M6 U 31 30 29 R1 BL DCM 上上上 上上上上 上上上上 上上上上 上上上上上 A B 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) - 6 - + i U B H I 某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(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)子位置信號(hào)變換成電信號(hào)，控制電子開(kāi)關(guān)線路，從 而使定

33、子各相繞組按一定次序?qū)ǎㄗ酉嚯娏麟S轉(zhuǎn)子位置的變化按一定的次序換相。 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。 2.1.2 轉(zhuǎn)子位置傳感器 位置傳感器在直流無(wú)刷電機(jī)中起著檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，安裝在定子線圈的 相應(yīng)位置上。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。位置傳感器的種類(lèi)很多，且各具特 點(diǎn)。目前在直流無(wú)刷電機(jī)中常用的位置傳感器有以下幾

34、種類(lèi)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。電磁式位置傳感器具有輸出 信號(hào)大、工作可靠、壽命長(zhǎng)、使用環(huán)境要求不高、適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。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。 2光電式位置傳感器 光電式位置傳感器利用光電效應(yīng)制成，由跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定 不動(dòng)的光源及光電管等部件組成。這類(lèi)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)。 3磁敏式位置傳感器 磁敏式位置傳感器是指它的某些電參數(shù)按一定規(guī)律隨周?chē)艌?chǎng)變化的半導(dǎo)體敏感 元件，其基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。

35、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?；魻杺鞲衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成 本低，是目前在直流伺服電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最多的一種位置傳感器。霍爾效應(yīng)原理圖如 2.2.1a 所示： R VCC 上 上 上 上 上 上 1 2 3 上 上 上 上 V out 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) - 7 - 圖 2.2 a 霍爾效應(yīng)原理示意圖 圖 2.2 b 霍爾開(kāi)關(guān)應(yīng)用電路 在長(zhǎng)方形半導(dǎo)體薄片上通以電流，當(dāng)將半導(dǎo)體薄片置于外磁場(chǎng)中，并將其與外 H I 磁場(chǎng)垂直時(shí)，則在與電流和磁感應(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 H I 動(dòng)勢(shì)，稱其為霍

36、爾電動(dòng)勢(shì)，其大小為： H EBIKE HHH 式中，為霍爾元件的靈敏度系數(shù)。 H K 霍爾元件所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很低，在應(yīng)用時(shí)往往需要外接放大器，很不方便。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。 霍爾集成電路有開(kāi)關(guān)型和線性型兩種類(lèi)型。通常采用開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路作為位 置傳感元件。我們通常把開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路叫做霍爾開(kāi)關(guān)，其應(yīng)用電路如圖 2.2.1b 所示。 使用霍爾開(kāi)關(guān)構(gòu)成位置傳感器通常有兩種形式。第一種方式是將霍爾開(kāi)關(guān)粘貼于 電機(jī)端蓋內(nèi)表面，在靠近霍爾開(kāi)關(guān)并與之有一定間隙處，安裝著與電機(jī)軸同軸的永磁 體。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

37、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。對(duì)于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)直流伺服電動(dòng)機(jī)，三個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)在空間彼此相 隔 120電角度，傳感器永磁體的極弧寬度為 180電角度，這樣，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)， 三個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)便交替輸出三個(gè)寬度為 180電角度、相位互差 120的矩形波信號(hào)9。 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。在電機(jī)轉(zhuǎn)子每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)霍 爾位置傳感器會(huì)產(chǎn)生六個(gè)交變信號(hào)，

38、因此只要算出兩次信號(hào)交變的時(shí)間差，就可以由 簡(jiǎn)單除法得到電機(jī)實(shí)際速度值。 2.1.3 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)。由于電子換向線路的導(dǎo)通次序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，因而 起到了機(jī)械電刷和換向器的換向作用。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)。 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電子換向電路是用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組通電順序和時(shí) 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) - 8 - 間，主要由功率邏輯控制開(kāi)關(guān)單元和位置傳感器信號(hào)

39、處理單元兩個(gè)部分組成。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。而各相繞組導(dǎo) 通的順序和時(shí)間主要取決于來(lái)自位置傳感器的信號(hào)。 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。早期的直 流伺服電動(dòng)機(jī)的換向器大多由晶閘管組成，由于其關(guān)斷要借助于反電動(dòng)勢(shì)或電流過(guò)零， 而且晶閘管的開(kāi)關(guān)頻率較低，使得逆變器只能工作在較低頻率范圍內(nèi)。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

40、 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)412。 2.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理 直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理有刷直流電機(jī)由于電刷的換向，使得由永久磁鋼產(chǎn)主 的磁場(chǎng)與電樞繞組通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中始終保持垂直從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn) 矩，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。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)。直流伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行還需依靠轉(zhuǎn)子位置傳 感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，通過(guò)換相驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)與電樞繞組連接的各功率開(kāi)關(guān)管 的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制定子繞組的通電

41、，在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 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。因此，就可產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩使直流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 起來(lái)。直流伺服電動(dòng)機(jī)三相繞組主回路基本類(lèi)型有三相半控和三相全控兩種。三相半 控電路的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，一個(gè)功率開(kāi)關(guān)控制一相的通斷，每個(gè)繞組只通電 1/3 的時(shí)間，另 外 2/3 時(shí)間處于斷開(kāi)狀態(tài)，沒(méi)有得到充分的利用。所以我們采用三相全控式電路，如圖 2.3 所示。 D1D2D3 M1 M6 M2 M4 M3 M5 U Q3 Q2Q1 D4D5D6 Q6 Q5Q4 L1 L2L3 A BC 基于 80C19 單片

42、機(jī)伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) - 9 - 圖 2.3 三相全控橋兩兩導(dǎo)通電路 在圖 2.2 中，電動(dòng)機(jī)的繞組為星形聯(lián)結(jié)。、為六個(gè)功率器件，起繞1Q2Q6Q 組的開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)作用。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（60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 120電角度。各功率管的導(dǎo)通順序51QQ61QQ62QQ42QQ 。當(dāng)功率管導(dǎo)通時(shí)，電流從管流入 A 相繞組，再?gòu)?C43QQ53QQ51QQ51QQ1Q 相繞組流出，經(jīng)管回到電源。二相導(dǎo)通的星形三相六狀態(tài)的導(dǎo)通順序表如表 2.1 所5Q 示。 表 2.1 兩兩導(dǎo)通的

43、導(dǎo)通順序表 時(shí)間（電 角度） （ ）C 0 60120180240300360 UVW導(dǎo)通順序 VWUV BG1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 2.3 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。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)。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。在此，直接采用相變量法，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置，采

44、用分段線性表示感應(yīng)電 動(dòng)勢(shì)。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。并作以 下假設(shè)： 1定子繞組為 60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 - c b a c b a c b a c b a e e e i i i P ML ML ML i i i R R R u u u 00 00 00 00 00 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(méi)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。 2.3.1 電壓平衡方程 由電機(jī)電壓平衡方程 （2.1 ） 對(duì)于

45、三相直流伺服電動(dòng)機(jī)，方程可寫(xiě)成 （2.2 ） 式中： 、為三相定子相電壓； a u b u c u 、為三相定子反電動(dòng)勢(shì)； a e b e c e 、為三相定子相電流； a i b i c i 、為三相定子相電阻； a R b R c R 、為三相定子繞組自感； aa L bb L cc L 、為三相定子繞組間互感； ab L ac L ba L bc L ca L cb L 為微分算子。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。則有： aa L bb L cc LL （2.3） ab L ac L ba L bc L ca L c

46、b LM （2.4） a R b R c RR （2.5） 又因?yàn)樵谌鄬?duì)稱的電機(jī)中存在因而，故方0 cba iii0 cba MiMiMi 程經(jīng)整理可得： E d d LRU t i i c b a c b a cccbca bcbbba acabaa c b a c b a e e e i i i P LLL LLL LLL i i i Rc Rb Ra u u u 00 00 00 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 - （2.6 ） 2.3.2 轉(zhuǎn)矩方程 直流伺服電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程與普通直流電動(dòng)機(jī)相似，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通 和電流幅值成正比，即 （2.7 ）

47、 其中：為電機(jī)的角速度；為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。 n P 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(xiě)為： （2.8 ） 其中：為電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 L TJ 2.3.3 傳遞函數(shù) 直流伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行我和傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)基本相同，其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以采用直 流電動(dòng)機(jī)通用的結(jié)構(gòu)圖，如圖 2.4 所示： 圖 2.4 直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 由直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖得其傳遞函數(shù)為： （2.9 ） )( ccbbaan e ieieieP T dt d JTT Le R 1 t C )(sU)(sTe )(sTL )(sn SGD2 375)(sI )(sE e C L mm T

48、sT K sU sT K sn 1 )( 1 )( 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) - 12 - 上式中：K1為電動(dòng)勢(shì)傳遞函數(shù)系數(shù)，為電動(dòng)勢(shì)系數(shù)； e CK/1 1 e C 為轉(zhuǎn)矩傳遞系數(shù)，；為電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻，為轉(zhuǎn)矩系數(shù)； 2 K teC CRK/ 2 R t C 為機(jī)電時(shí)間常數(shù)，為轉(zhuǎn)子重量，為轉(zhuǎn)子直徑。 m T tem CCRGDT375/ 2 GD 2.4 直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 2.4.1 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。所以直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法也和有刷直流 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

49、方法相似。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;改變電 樞回路電阻調(diào)速；調(diào)節(jié)電樞端電壓調(diào)速15。直流伺服電動(dòng)機(jī)定子繞組，相電勢(shì)幅值由 下式確定： （2.10） 式中 為電勢(shì)系數(shù)；為相繞組等效匝數(shù)； 1 N 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 d UU2/1E （2.11） （2.12） 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。式 2.12 表明，無(wú) R 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式與直流電動(dòng)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(shí)，直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式與

50、直流電機(jī)完全一樣。 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。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(wú)論滿載、輕載還是空載，都有明顯得調(diào)速效果;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(guò)程中能量損耗小。因此這種調(diào)速方法被廣泛應(yīng)用在對(duì)起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào) 速性能要求較高的場(chǎng)合。 nen n CN P fNE1 60 2 1 1 60 2N P C n e d UEU 2 1 RI

51、CU dned 2 1 2 1 ne dd C RIU n ) ( 2 1 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(zhuān)門(mén)的可控直流電源。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。通過(guò)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。它是用恒定直流電源或不 可控整流電源供電，利用開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通 過(guò)通、斷電時(shí)間的變化來(lái)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。 構(gòu)成直流斬波器的開(kāi)關(guān)器件過(guò)去用的較

52、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)、電力場(chǎng)效應(yīng)管(P-MOSFET)、 絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等。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(kāi)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(guò)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。 2.4.2 電磁轉(zhuǎn)矩 直流伺服電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可由電機(jī)的電磁功率和角速度求得 e P （2.13 ） 將式 2.

53、10、2.11 和式 2.12 代入上式得 dne INT 1 2 （2.14） 2.5 直流伺服電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng) 2.5.1 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(duì)其直流伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)都有相應(yīng)的靜、動(dòng)態(tài) 性能要求。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。由于直流伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速靜差率的存在，采 用開(kāi)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(gè)基本要求，故 在實(shí)際工程應(yīng)用中的直流伺服電動(dòng)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。 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) )

54、( RIUP T dde e 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(guò)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。如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動(dòng)、突 加負(fù)載動(dòng)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(guò)程的電流和轉(zhuǎn)矩。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(gè)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(jí)聯(lián)接，直流伺服電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 2.5 所示。

55、 圖 2.5 直流伺服電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng) 圖 2.5 中 GT 為驅(qū)動(dòng)控制裝置，V 為功率開(kāi)關(guān)管，、分別為轉(zhuǎn)速給定電壓和 n U * n U 轉(zhuǎn)速反饋電壓，、分別為電流給定電壓和電流反饋電壓。這就是說(shuō)，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) i U * i U 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(kāi)關(guān)管的觸發(fā)裝 置，進(jìn)而控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電流或轉(zhuǎn) 矩的控制24。 2.5.2 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 從圖 2.5 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)

56、L T 量。將擾動(dòng)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(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài) L T 等效結(jié)構(gòu)圖，如圖 2.6 所示。 )(sTL )(s taa KRJsRsL ) )( 1 )( aat RsLK )(s U 無(wú)刷 電機(jī) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電電流流調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)器器 + - + TA V - 內(nèi)環(huán) * n U n U * i U i U c U d U 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 2.6 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()； a LH a R 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

57、力轉(zhuǎn)矩()； c TmN 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，為阻力系數(shù)； t K R 為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度()，J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量()；srad /2mkg 要控制功率開(kāi)關(guān)管整流裝置總離不開(kāi)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。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 ct U 伺服電動(dòng)機(jī)的外加電壓。如果把它們之間的放大系數(shù)看成常數(shù)，又由于功率開(kāi)關(guān)U s K 管裝置存在滯后作用，故功率開(kāi)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)： （2.16） 其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖 2.7 所示： 圖 2.7 功率開(kāi)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

58、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 （2.17） （2.18 ） 知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按圖 2.5 所示在系統(tǒng)中的相互關(guān)系組合起來(lái)， 就可以畫(huà)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 2.8 所示。圖中 和分別表示轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器。由于直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與有)(sWASR)(sWACR 刷直流電機(jī)非常相似，所以其雙閉環(huán)起動(dòng)過(guò)程與有刷直流電機(jī)也應(yīng)該類(lèi)似。雙閉環(huán)直 流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流的波形如圖 2.9 所示。 )(sWASR)(sW ACR 1sT K s s aa RsL 1 RJs 1 t K L T n U * n U

59、* i U i U ct U U t K a I 1sT K s s )(sUct)(sU 1)( )( sT K sU sU s s ct )( )( sI sU a i )( )( s sUn 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 2.8 直流伺服電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 圖 2.9 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形圖 n O O t t n t t Idm IdL Id n* III III t4t3t2t1 Idm IdL Id n* III III t4t3t2t1 IdL Id n* III III t4t3t2t1 基于 80C19 單片機(jī)伺

60、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 3.1 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，15W N P 1.8A N I 額定電壓，額定轉(zhuǎn)速，電機(jī)內(nèi)阻，繞組電感24V N U3000r/min N n 3.308R ，飛輪力矩，電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。0.051HL 252 5 10 N mGD 0.011V/rpm e C 3.2 主控單元 為滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)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。 3.2.1 80C196MC 單片機(jī)簡(jiǎn)介 8XC196MC 單片機(jī)是美國(guó)

61、著名的 Intel 公司推出的最新一代單片機(jī)。它在 MCS-96 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。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。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(duì)交流電的特殊應(yīng)用，因此它必將在我國(guó)的數(shù)字控制領(lǐng)域廣泛采用，也將帶 來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。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1112。其主要技 術(shù)指標(biāo)為： （1）工作頻率，16 位數(shù)據(jù)位；MH

62、z168 （2）6 路互補(bǔ)型控制交流電機(jī)的 SPWM 波形（P6.0P6.5）和兩路用來(lái)控制直流 電機(jī)的 PWM 波形（P6.6P6.7） ； （3）工作電壓：（數(shù)字部分） ，（模擬部分） ；工作溫度：VDC5 . 55 . 4VDC5 . 54 C 40C 85 3.2.2 80C196MC 單片機(jī)的結(jié)構(gòu) 80C196MC 是專(zhuān)門(mén)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(gè) C196 核心、一個(gè)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(gè)定時(shí)器和一個(gè)脈寬調(diào)制單元 PWM 等部分構(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) - 18 - 如圖 3.1 所示。 基