伺服电机控制系统本科毕业论文设计.doc

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1、南京邮电大学 毕 业 设 计（论 文） 题 目伺服电机控制系统 专 业电气工程及其自动化 学生姓名 班级学号 指导教师 指导单位自动化学院 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别 加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过 的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位 或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人 或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名：

2、 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论 文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和 电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并 提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其 它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论 文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成

3、果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 指导教师评阅书指导教师评阅书 指导教师评

4、价：指导教师评价： 一、撰写（设计）过程 1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格 4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格 5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 三、论文（

5、设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 指导教师：指导教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 评阅教师评阅书评阅教师评阅书 评阅教师评价：评阅教师评价： 一、论文（设计）质量一、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任

6、务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）水平二、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 评阅教师：评阅教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）及教学系意见 教研室（或答辩小组）评价：教研室（或答辩小组）评价： 一、答

7、辩过程一、答辩过程 1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）质量二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 三、论文（设计）水平三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格

8、 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 评定成绩：评定成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 教研室主任（或答辩小组组长）：教研室主任（或答辩小组组长）： （签名） 年年 月月 日日 目录 目录.I 第 1 章 绪论- 1 - 1.1 直流伺服电动机发展及现状.- 1 - 1.2 直流伺服电动机的特点及应用- 1 - 1.2.1 直流伺服电动机的特点.- 1 - 1.2.2 直流伺服电动机的应用- 2 - 1.3 课题主要研究内容.- 3 - 第 2 章 直流伺服电动机的工作过程- 4 - 2.1 直流伺服电动机基本组成.- 4

9、 - 2.1.1 电动机本体.- 4 - 2.1.2 转子位置传感器- 5 - 2.1.3 电子换向电路.- 6 - 2.2 直流伺服电动机的工作原理.- 7 - 2.3 直流伺服电动机的数学模型.- 8 - 2.3.1 电压平衡方程.- 8 - 2.3.2 转矩方程.- 9 - 2.3.3 传递函数.- 10 - 2.4 直流伺服电动机的调速方法.- 10 - 2.4.1 电势和调速方法.- 10 - 2.4.2 电磁转矩.- 11 - 2.5 直流伺服电动机双闭环系统- 12 - 2.5.1 双闭环控制系统组成.- 12 - 2.5.2 双闭环控制系统动态数学模型.- 13 - 第 3 章

10、 调速系统方案确定- 15 - 3.1 无刷电机样机参数- 15 - 3.2 主控单元- 15 - 3.2.1 80C196MC 单片机简介.- 15 - 3.2.2 80C196MC 单片机的结构.- 15 - 3.2.2 80C196MC 单片机的特点.- 17 - 3.3 系统的组成.- 18 - 教学系意见：教学系意见： 系主任：系主任： （签名） 年年 月月 日日 第 4 章 基于单片机的调速系统硬件设计- 19 - 4.1 供电电源设计.- 19 - 4.2 检测电路设计.- 20 - 4.2.1 位置检测.- 20 - 4.2.2 整形电路.- 22 - 4.2.3 正反转控制-

11、 22 - 4.2.4 电流检测电路.- 23 - 4.3 主功率和驱动电路.- 24 - 4.3.1 主功率电路.- 24 - 4.3.2 功率驱动电路.- 26 - 4.4 过流过压保护电路.- 29 - 4.4.1 过流保护电路.- 29 - 4.4.2 过压、欠压保护电路.- 30 - 4.5 键盘与显示电路.- 30 - 4.5.1 键盘电路.- 30 - 4.5.2 显示电路.- 31 - 第 5 章基于单片机的调速系统软件设计 - 33 - 5.1 程序设计思想.- 33 - 5.2 主程序.- 33 - 5.2.1 初始化程序- 34 - 5.2.2 键处理程序设计- 36 -

12、 5.2.3 LED 动态显示子程序- 37 - 5.3 捕捉中断服务程序.- 38 - 5.4 采样中断服务程序.- 39 - 5.4.1 转速计算子程序.- 40 - 5.4.2 A/D 转换子程序.- 40 - 5.4.3 波形发生控制程序- 42 - 参考文献- 45 - 致谢- 47 - 基于 80C196MC 单片机无刷直流电机调速系统硬件设计 基于 80C196MC 单片机直流伺服电机调速系统硬件设计 II 基于基于 80C196MC80C196MC 单片机直流伺服电机调速系统单片机直流伺服电机调速系统 摘要 本文主要论述三相直流伺服电机调速系统的设计方法。主控单元为伺服电机专用

13、 控制芯片 80C196MC，辅以键盘、显示器、检测电路、功率电路、驱动电路、保护电 路等。直流伺服电机内置 3 个霍尔传感器，用于检测转子的位置，决定电机的换相， 系统根据该信号计算电机的转速，用于实现速度反馈控制。 系统给定转速由键盘输入，并能实时显示转速；功率芯片选用性能价格比较高的 快速 MOSFET；功率驱动选用带保护电路和过流输出的集成芯片 IR2130，可实现电机 的高频快速起动；系统还设置了电流采样电路，与速度反馈电路组成双闭环系统，可 以实现电机的快速起动并获得良好的带负载性能，达到了设计任务书的要求。 软件方面根据直流伺服电动机的组成、脉宽调制和工作原理，结合 80C196

14、MC 的 硬件部分和软件编程的特点，设计了无刷直流调速系统的软件。系统软件分为主程序 和中断程序两大主块，主程序完成系统的初始化， LED 显示器扫描和键盘功能处理程 序等部分。 关键字：直流伺服电动机；16 位单片机；位置传感器；闭环系统；MOSFET；功 率驱动 基于 80C196MC 单片机直流伺服电机调速系统硬件设计 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 单片机伺服电机调速系统软硬件设计 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 直流伺服电动机发展及现状 传统直流电机采用机械机构（电刷）进行换向，因而存在机械摩擦，并由此带来 电磁噪声、换向火花、以及寿命短等缺点，再加上制造成本高、维修困难，从而极大 的限制了它的发展和应用范围。针对传统直流电动机的弊病，早在 20 世纪 30 年代就 有人开始研制以电子换向代替机械换向的直流无刷电动机。经过几十年的努力，终于 在 60 年代实现了这一愿望。 在此之后，又相继出现了新型永磁材料钐钴、钐铝、钦铁硼，它们具有高剩磁密 度，高矫顽力以及高磁能积等优异磁性能，

22、使永磁电机有了较大发展。但是钐和钴的 价格昂贵，限制了永磁无刷电机的前进步伐。直到八十年代初期，价格较低的钦铁硼 永磁材料研制成功，开创了稀土永磁电机的新纪元，并为其在民品工业中的应用开辟 了广阔前景，现已在医疗器械、仪器仪表、化工、纺织及家用电器等领域日益普及12。 进入 90 年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件， 如 GTR、MOSFET、IGBT、MCT 等相继问世，以及微处理器、大规模集成电路技术 的发展，逆变装置也发生了根本性的变化。这些开关器件本身向着高频化、大容量、 智能化方向发展，并出现集半导体开关、信号处理、自我保护等功能为一体的智能功 率模块（正

23、 M）和大功率集成电路，使直流伺服电动机的关键部件之一逆变器的成 本降低，且向高频化、小型化发展。同时，永磁材料的性能不断提高和完善，特别是 钕、铁、硼永磁材体的热稳定性和耐腐蚀性的改善，加上永磁电机研究和开发经验的 逐步成熟，稀土永磁直流伺服电动机的应用和开发进入一个新阶段，目前正朝着超高 速、高转矩，高功能化、微型化方向发展3。 1.2 直流伺服电动机的特点及应用 1.2.1 直流伺服电动机的特点 直流无刷电机是用电子换向代替传统的机械换向的一种新型机电一体化电机。它 由一台永磁同步电动机的本体，一套电子换向开关电路（又称逆变器）,和转子位置传 感器所组成。 直流伺服电动机保持着有刷直流电

24、机的优良机械及控制特性，在电磁结构上和有 基于 80C19 单片机伺服电机调速系统软硬件设计 - 2 - 刷直流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永久磁钢。直流伺服电动 机的电枢绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上， 定子采用位置传感器实现电子换相来代替有刷直流电机的电刷和换向器，各相逐次通 电产生电流，定子磁场和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩。 和有刷直流电机相比，直流伺服电动机由于取消了电机的滑动接触机构，因而消 除了故障的主要根源。转子上没有绕组，也就没有了励磁损耗，又由于主磁场是恒定 的，因此铁损也是极小的(在方波电流驱动时，电枢磁势的轴线是脉

25、动的，会在转子铁 心内产生一定的铁损，采用正弦波电流驱动比方波电流铁损更小)。总的说来，除了轴 承旋转产生磨损外，转子的损耗很小，因而进一步增加了工作的可靠性4 5。 1.2.2 直流伺服电动机的应用 由于直流伺服电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系 列优点，又具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好的特点，故在 当今国民经济的各个领域，如医疗器械、仪表仪器、化工、轻纺以及家用电器等方面 的应用日益普及。直流伺服电动机的应用主要分为以下几类: 定速驱动机械 一般不需要调速的领域以往大多是采用三相或单相交流异步和同步电机。随着电 力电子技术的进步，在功率不大于且

26、连续运行的情况下，为了减少体积，节省KW10 材料，提高效率和降低能耗，越来越多的电机正被直流伺服电动机逐步取代，这类应 用:有自动门、电梯、水泵、风机等。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大， 除了永磁电机外还要增加驱动器，因此目前较少有应用。 调速驱动机械 速度需要任意设定和调节，但控制精度要求不高的调速系统分为两种:一种是开环 调速系统，另一种是闭环调速系统(此时的速度反馈器件多采用低分辨率的脉冲编码器 或交、直流测速等)。通常采用的电机主要有三种:直流电机、交流异步电机和直流伺服 电动机。这在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆 中有大量应用67。 调速

27、应用领域最初用得最多的是直流电机，随着交流调速技术特别是电力电子技 术和控制技术的发展，交流变频技术获得了广泛应用，变频器和交流电动机迅速渗透 到原来直流调速系统的绝大多数应用领域。近几年来，由于直流伺服电动机体积小、 重量小和高效节能等一系列优点，中小功率的交流变频系统正逐步被直流伺服电动机 基于 80C19 单片机伺服电机调速系统软硬件设计 - 3 - 系统所取代，特别是在纺织机械、印刷机械等原来应用变频系统较多的领域，而在一 些直接由电池供电的直流电机应用领域，则更多的由直流伺服电动机所取代。 精密控制 伺服电动机在工业自动化领域的高精度控制中扮演了一个十分重要的角色，应用 场合不同，对

28、伺服电动机的控制性能要求也不尽相同，在实际应用中，伺服电动机有 各种不同的控制形式:转矩控制、电流控制、速度控制、位置控制。直流伺服电动机由 于其良好的控制性能，在高速、高精度定位系统中逐步取代了直流电机与步进电机， 成为其首选的伺服电机之一。目前，扫描仪、摄影机、CD 唱机驱动、医疗诊断 CT、 计算机硬盘驱动及数控车床驱动中等都广泛采用了直流伺服电动机伺服系统用于精密 控制8910。 1.3 课题主要研究内容 本文以高性能的电机专用控制芯片 80C196MC 为控制核心，辅以键盘、显示、检 测反馈电路，研制三相大功率永磁直流伺服电动机数字化控制系统。系统控制目标为： 1实现电机的转速输入与

29、转速显示，实现电机转速的控制； 2实现电流、转速双闭环控制，尽量减小超调量和转差率； 3控制起动电流的大小，防止起动过程中过流； 4实现电机的正反转控制， 5设置合理的电路保护 根据系统要求，本人主要从以下几个方面进行了研究： 1首先探讨了直流伺服电动机的发展进程。从直流伺服电动机的基本原理出发， 导出了其等效电路图和数学模型。研究了直流伺服电动机的工作原理、驱动方法、运 行特性及控制规律。 2对单片机的发展现状和特点进行探讨，对本文中将使用到的 80C196MC 做了重 点论述，并设计基于单片机控制的有位置传感器控制方案。 3设计了调速系统硬件总体结构，对系统各主要部分的硬件设计进行了详细的

30、分 析和阐述。根据系统的硬件设计和所采用的控制策略，调速系统各个环节的软件构成。 4对控制系统整体性能进行了分析，并提出了需要进一步研究的若干问题。 基于 80C19 单片机伺服电机调速系统软硬件设计 - 4 - 基于 80C19 单片机伺服电机调速系统软硬件设计 - 5 - 第 2 章 直流伺服电动机的工作过程 直流伺服电动机是近几十年来随着电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新 型电动机，其基本工作原理是借助反映转子位置的位置信号，通过驱动电路驱动逆变 电路的功率开关元件，使电枢绕组依一定顺序导通，从而在电机气隙中产生旋转磁场， 拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，转子位置信号依一定规律变

31、化，从而改变电枢 绕组的通电状态，实现直流伺服电动机的机电能量转换。 2.1 直流伺服电动机基本组成 直流伺服电动机的结构原理图如图 2.1 所示。它主要由电动机本体、位置传感器和 电子开关线路三部分组成。 图 2.1 直流伺服电动机结构原理图 2.1.1 电动机本体 直流伺服电动机本体在结构上与永磁同步电机相似，但没有笼形绕组和其它气动 装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等） ，转子由永久磁钢按一定极 对数（=2，4，）组成。P2 图 2.1 中的电动机为三相两极。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开 关器件相联接，在图 2.1 中的相、相、相绕组分别与功率开关管、AB

32、C41QQ 、相接。位置传感器负责跟踪转子并电动机的转轴相联接。当定子绕组的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 单片机伺服电机调速系统软硬件设计 - 6 - + i U B H I 某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱 动转子旋转，再由位置传感器将转子位置信号变换成电信号，控制电子开关线路，从 而使定

33、子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化按一定的次序换相。 由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的作用。 2.1.2 转子位置传感器 位置传感器在直流无刷电机中起着检测转子磁极位置的作用，安装在定子线圈的 相应位置上。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子磁极所产生的磁场互相作用 而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁极位置变换成电信号，去控制 电子换向线路，从而使定子各相绕组按一定次序通电，使定子相电流随转子位置的变 化按一定的次序换向，从而使电机能够连续工作。位置传感器的种类很多，且各具特 点。目前在直流无刷电机中常用的位置传感器有以下几

34、种类型： 1电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现位置测量。电磁式位置传感器具有输出 信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、结构简单等优点。但这 种传感器的信噪比低，同时其输出波形为交流，一般需要经过整流、滤波后才可使用。 2光电式位置传感器 光电式位置传感器利用光电效应制成，由跟随电机转子一起旋转的遮光板和固定 不动的光源及光电管等部件组成。这类传感器性能比较稳定，但存在输出信号信噪比 较大、光源灯泡寿命短、使用环境要求高等缺点。 3磁敏式位置传感器 磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏感 元件，其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。

35、目前常见的磁敏式传感器有霍尔元件、霍 尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等5。霍尔传感器由于结构简单、性能可靠、成 本低，是目前在直流伺服电动机上应用最多的一种位置传感器。霍尔效应原理图如 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 单片机伺服电机调速系统软硬件设计 - 7 - 图 2.2 a 霍尔效应原理示意图 图 2.2 b 霍尔开关应用电路 在长方形半导体薄片上通以电流，当将半导体薄片置于外磁场中，并将其与外 H I 磁场垂直时，则在与电流和磁感应强度 B 构成的平面相垂直的方向上会产生一个电 H I 动势，称其为霍

36、尔电动势，其大小为： H EBIKE HHH 式中，为霍尔元件的灵敏度系数。 H K 霍尔元件所产生的电动势很低，在应用时往往需要外接放大器，很不方便。随着 半导体技术的发展，将霍尔元件与附加电路封闭为三端模块，构成霍尔集成电路。 霍尔集成电路有开关型和线性型两种类型。通常采用开关型霍尔集成电路作为位 置传感元件。我们通常把开关型霍尔集成电路叫做霍尔开关，其应用电路如图 2.2.1b 所示。 使用霍尔开关构成位置传感器通常有两种形式。第一种方式是将霍尔开关粘贴于 电机端盖内表面，在靠近霍尔开关并与之有一定间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁 体。第二种是直接将霍尔开关敷贴在定子电枢铁心表面或绕组端

37、部紧靠铁心处，利用 电机转子上永磁体主磁极作为传感器的永磁体，根据霍尔开关的输出信号即可判定转 子位置。对于两相导通星形三相六状态直流伺服电动机，三个霍尔开关在空间彼此相 隔 120电角度，传感器永磁体的极弧宽度为 180电角度，这样，当电机转子旋转时， 三个霍尔开关便交替输出三个宽度为 180电角度、相位互差 120的矩形波信号9。 直流伺服电动机转子位置传感器输出的脉冲信号通过单片机控制器的 CAP 捕获电 路送入单片机控制器作为转子位置和速度的反馈信号，当任意一相转子位置信号发生 变化时，产生中断，在中断处理程序中实现电机换相。在电机转子每个旋转周期内霍 尔位置传感器会产生六个交变信号，

38、因此只要算出两次信号交变的时间差，就可以由 简单除法得到电机实际速度值。 2.1.3 电子换向电路 电子换向电路的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按一定的 逻辑代码输出，触发功率开关。由于电子换向线路的导通次序与转子转角同步，因而 起到了机械电刷和换向器的换向作用。因此，所谓直流伺服电动机，就其基本结构而 言，可以认为是一个由电子换向电路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者共同所 组成的闭环系统。 直流无刷电动机的电子换向电路是用来控制电动机定子上各相绕组通电顺序和时 基于 80C19 单片机伺服电机调速系统软硬件设计 - 8 - 间，主要由功率逻辑控制开关单元和位置传感器信号

39、处理单元两个部分组成。功率逻 辑控制开关单元是控制电路的核心，其作用是将电源的功率以一定逻辑关系分配给直 流无刷电动机定子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导 通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。 电子换向电路分为桥式和非桥式两种，虽然电枢绕组与电子换向电路的连接形式 多种多样，但应用最广泛的是三相星形全控状态和三相星形半控状态连接。早期的直 流伺服电动机的换向器大多由晶闸管组成，由于其关断要借助于反电动势或电流过零， 而且晶闸管的开关频率较低，使得逆变器只能工作在较低频率范围内。随着新型可关 断全控型器件的发展，在中小功率的电动机中换向器多由功率 MOSFET

40、 或 IGBT 构成， 具有驱动容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点412。 2.2 直流伺服电动机的工作原理 直流伺服电动机的工作原理有刷直流电机由于电刷的换向，使得由永久磁钢产主 的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转 矩，使电机运转。直流伺服电动机的运行原理和有刷直流电机基本相同，即在一个具 有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流总量恒定，以产生恒定的 转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关。直流伺服电动机的运行还需依靠转子位置传 感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管 的导通与关断，从而控制定子绕组的通电

41、，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。 随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态，使得在同一 磁极下的导体中的电流方向不变。因此，就可产生恒定的转矩使直流伺服电动机运转 起来。直流伺服电动机三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半 控电路的特点是简单，一个功率开关控制一相的通断，每个绕组只通电 1/3 的时间，另 外 2/3 时间处于断开状态，没有得到充分的利用。所以我们采用三相全控式电路，如图 2.3 所示。 D1D2D3 M1 M6 M2 M4 M3 M5 U Q3 Q2Q1 D4D5D6 Q6 Q5Q4 L1 L2L3 A BC 基于 80C19 单片

42、机伺服电机调速系统软硬件设计 - 9 - 图 2.3 三相全控桥两两导通电路 在图 2.2 中，电动机的绕组为星形联结。、为六个功率器件，起绕1Q2Q6Q 组的开关和驱动作用。同时我们采用两两导通方式，所谓两两导通方式是指每一个瞬 间有两个功率管导通，每隔 1/6 周期（60电角度）换相一次，每次换相一个功率管， 每一功率管导通 120电角度。各功率管的导通顺序51QQ61QQ62QQ42QQ 。当功率管导通时，电流从管流入 A 相绕组，再从 C43QQ53QQ51QQ51QQ1Q 相绕组流出，经管回到电源。二相导通的星形三相六状态的导通顺序表如表 2.1 所5Q 示。 表 2.1 两两导通的

43、导通顺序表 时间（电 角度） （ ）C 0 60120180240300360 UVW导通顺序 VWUV BG1导通导通 BG2导通导通 BG3导通导通 BG4导通 BG5导通导通导通 BG6导通导通 2.3 直流伺服电动机的数学模型 方波直流伺服电动机的主要特征是反电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波， 这意味着定子和转子的互感是非正弦的，并且直流伺服电动机的电感为非线性。因此 在这里采用 dq 变换理论己经不是有效的分析方法，因为 dq 方程只适用于气隙磁场为 正弦分布的电动机。而直接利用电动机原有的相变量来建立数学模型既简单又能获得 较准确的结果。在此，直接采用相变量法，根据转子位置，采

44、用分段线性表示感应电 动势。为简化数学模型的建立，在电机模型建立时，认为电机气隙是均匀的。并作以 下假设： 1定子绕组为 60相带整距集中绕组，星形连接； 基于 80C19 单片机伺服电机调速系统软硬件设计 - 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忽略齿槽效应，绕组均匀分布于光滑定子表面； 3转子上没有阻尼绕组，电机无阻尼作用； 4磁路不饱和，忽略高次磁势谐波的影响，忽略磁滞、涡流的影响。 2.3.1 电压平衡方程 由电机电压平衡方程 （2.1 ） 对于

45、三相直流伺服电动机，方程可写成 （2.2 ） 式中： 、为三相定子相电压； a u b u c u 、为三相定子反电动势； a e b e c e 、为三相定子相电流； a i b i c i 、为三相定子相电阻； a R b R c R 、为三相定子绕组自感； aa L bb L cc L 、为三相定子绕组间互感； ab L ac L ba L bc L ca L cb L 为微分算子。P 无刷电机的结构决定了在一个电角度内转子的磁阻不随转子位置的变化而变 360 化，并假定三相绕组对称。则有： 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） 又因为在三相对称的电机中存在因而，故方0 cba iii0 cba MiMiMi 程经整理可得： 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 单片机伺服电机调速系统软硬件设计 - 11 - （2.6 ） 2.3.2 转矩方程 直流伺服电动机的电磁转矩方程与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通 和电流幅值成正比，即 （2.7 ）

47、 其中：为电机的角速度；为电机的极对数。 n P 在忽略转动时的粘滞系数的假设下，无刷电动机的运动方程可写为： （2.8 ） 其中：为电机的负载转矩；为电机的转动惯量。 L TJ 2.3.3 传递函数 直流伺服电动机的运行我和传统直流电动机基本相同，其动态结构图可以采用直 流电动机通用的结构图，如图 2.4 所示： 图 2.4 直流伺服电动机动态结构图 由直流伺服电动机动态结构图得其传递函数为： （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 单片机伺服电机调速系统软硬件设计 - 12 - 上式中：K1为电动势传递函数系数，为电动势系数； e CK/1 1 e C 为转矩传递系数，；为电动机内阻，为转矩系数； 2 K teC CRK/ 2 R t C 为机电时间常数，为转子重量，为转子直径。 m T tem CCRGDT375/ 2 GD 2.4 直流伺服电动机的调速方法 2.4.1 电势和调速方法 由直流伺服电动机数学模型知，直流伺服电动机机械特性方程同一般有刷直流电 动机机械特性方程在形式上完全一致。所以直流伺服电动机的调速方法也和有刷直流 电动机的调速

49、方法相似。有刷直流电动机调速方法包括：改变电机主磁通调速;改变电 枢回路电阻调速；调节电枢端电压调速15。直流伺服电动机定子绕组，相电势幅值由 下式确定： （2.10） 式中 为电势系数；为相绕组等效匝数； 1 N 若考虑线路损耗及电机内部压降（已归入） ，而且，导通型逆变器的输出 R 120 电压幅值为 ，则电机电势与外加电压相平衡， ，即 d UU2/1E （2.11） （2.12） 式中为回路等效电阻，包括电机两相电阻和管压降等效电阻。式 2.12 表明，无 R 直流电机的转速公式与直流电动机的转速公式十分相似，可证明，当气隙分布为方波， 电机绕组为整距集中时，直流伺服电动机的转速公式与

50、直流电机完全一样。 调节电枢端电压调速主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电机额定转速向下 变速，属于恒转矩调速方法。该方法的主要优点有：降压特性曲线是一族与固有特性 平行的直线，无论满载、轻载还是空载，都有明显得调速效果;降压特性曲线的硬度不 变，低速时由于负载变化引起的转速波动不大，静态稳定性好，调速范围大；可以平 滑地改变施于电动机的端电压，从而使转速平滑地调节，实现无极调速；电枢端电压 调速方法调节过程中能量损耗小。因此这种调速方法被广泛应用在对起动、制动和调 速性能要求较高的场合。 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 单片机伺服电机调速系统软硬件设计 - 13 - 调节电枢电压需要有专门的可控直流电源。常用的可控直流电源有三种：旋转变 流机组、静止可控整流器、直流斩波器或脉宽调制变换器。通过脉宽调制变换器进行 调制的方法又称为 PWM（Pulse width modulation)调制方法。它是用恒定直流电源或不 可控整流电源供电，利用开关器件来实现通断控制，将直流电压断续加到负载上，通 过通、断电时间的变化来改变负载上直流电压的平均值，将固定直流电源变成平均值 可调的直流电源。 构成直流斩波器的开关器件过去用的较

52、多的是普通晶闸管，它们本身没有自关断 能力，因而限制了斩波器的性能;目前斩波器大都采用既能控制其导通又能控制其关断 的全控型器件，如功率晶体管(GTR)，可关断晶闸管(GTO)、电力场效应管(P-MOSFET)、 绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。采用全控型器件的 PWM 调速系统，其脉宽调制电路的 开关频率很高(可达 20K 以上)，因此系统的频带宽、响应速度快、动态抗干扰能力强25 本系统是通过调节逆变器功率器件的 PWM 触发信号的占空比来改变输入电机的 平均电压而实现调速的。 2.4.2 电磁转矩 直流伺服电动机的电磁转矩可由电机的电磁功率和角速度求得 e P （2.13 ） 将式 2.

53、10、2.11 和式 2.12 代入上式得 dne INT 1 2 （2.14） 2.5 直流伺服电动机双闭环系统 2.5.1 双闭环控制系统组成 控制系统的仪器或设备，必然对其直流伺服电动机控制系统都有相应的静、动态 性能要求。在一些高、精、尖领域（如航空航天等） ，其对直流伺服电动机控制系统的 性能要求可以说是相当苛刻的。由于直流伺服电动机控制系统转速静差率的存在，采 用开环控制技术不能消除静差率，不能满足控制系统稳、准、快的三个基本要求，故 在实际工程应用中的直流伺服电动机控制系统都是采用闭环控制技术实现的10。 直流伺服电动机转速负反馈单闭环控制系统可以在保证系统稳定的条件下实现转 )

54、( RIUP T dde e 基于 80C19 单片机伺服电机调速系统软硬件设计 - 14 - 速无静差，但又不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，因而常在对动态性 能要求不高的场合采用。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突 加负载动态速降小等等，单闭环控制系统就难以满足需要。 为了改善直流伺服电动机控制系统的动态特性，就很有必要在速度负反馈单闭环 控制系统的基础上再引入电流负反馈环来控制系统动态过程的电流和转矩。为了实现 转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电 流，二者之间实行串级联接，直流伺服电动机双闭环控制系统如图 2.5 所示。

55、 图 2.5 直流伺服电动机双闭环控制系统 图 2.5 中 GT 为驱动控制装置，V 为功率开关管，、分别为转速给定电压和 n U * n U 转速反馈电压，、分别为电流给定电压和电流反馈电压。这就是说，把转速调节 i U * i U 器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制功率开关管的触发装 置，进而控制功率开关管的导通与关断，从而实现对直流伺服电动机转速、电流或转 矩的控制24。 2.5.2 双闭环控制系统动态数学模型 从图 2.5 直流伺服电动机动态数学模型中可以看出，直流伺服电动机有两个输入量， 一个是外加电压信号，另一个是负载转矩；前者是控制输入量，后者是扰动输入U

56、L T 量。将扰动输入量的综合点移前，并进行等效变换，可得如下直流伺服电动机动态 L T 等效结构图，如图 2.6 所示。 )(sTL )(s taa KRJsRsL ) )( 1 )( aat RsLK )(s U 无刷 电机 转速调节器电电流流调调节节器器 + - + TA V - 内环 * n U n U * i U i U c U d U 外环 速度计算 转子位置 传感器 GT 基于 80C19 单片机伺服电机调速系统软硬件设计 - 15 - 图 2.6 直流伺服电动机动态等效结构图 上图中，为电枢电感()，为电枢电阻()； a LH a R 为负载转矩，包括电动机轴上输出转矩和恒定阻

57、力转矩()； c TmN 为转矩系数，为阻力系数； t K R 为转子机械角速度()，J为转子转动惯量()；srad /2mkg 要控制功率开关管整流装置总离不开控制触发电路，因此在分析系统时往往把它 们当作一个环节来看待。这一环节的输入量是触发电路的控制电压，输出量是直流 ct U 伺服电动机的外加电压。如果把它们之间的放大系数看成常数，又由于功率开关U s K 管装置存在滞后作用，故功率开关管的触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后的 放大环节，其传递函数可近似成一阶惯性环节： （2.16） 其动态结构如图 2.7 所示： 图 2.7 功率开关管触发和整流装置动态结构图 速度、电流的计算和

58、检测可以认为是瞬时的，因此它们的放大系数也就是它们的 传递函数，即 （2.17） （2.18 ） 知道了各环节的传递函数后，把它们按图 2.5 所示在系统中的相互关系组合起来， 就可以画出直流伺服电动机双闭环控制系统的动态结构框图，如图 2.8 所示。图中 和分别表示转速和电流调节器。由于直流伺服电动机的机械特性与有)(sWASR)(sWACR 刷直流电机非常相似，所以其双闭环起动过程与有刷直流电机也应该类似。双闭环直 流调速系统起动过程的转速和电流的波形如图 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 单片机伺服电机调速系统软硬件设计 - 16 - 图 2.8 直流伺服电动机双闭环控制系统框图 图 2.9 双闭环调速系统起动过程的转速和电流波形图 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 单片机伺

60、服电机调速系统软硬件设计 - 17 - 第 3 章 调速系统方案确定 3.1 无刷电机样机参数 系统中三相直流伺服电动机各参数为：额定功率，额定电流，15W N P 1.8A N I 额定电压，额定转速，电机内阻，绕组电感24V N U3000r/min N n 3.308R ，飞轮力矩，电动势常数。0.051HL 252 5 10 N mGD 0.011V/rpm e C 3.2 主控单元 为满足系统实时性，快速响应性，且方便编程的要求，本系统选用了由 Intel 公司 的 80C196MC 单片机作为系统的主控单元。 3.2.1 80C196MC 单片机简介 8XC196MC 单片机是美国

61、著名的 Intel 公司推出的最新一代单片机。它在 MCS-96 基础上，结构和功能又有了重大突破，是 196 系列中功能最为卓著，最具典型意义的 一种。Intel8XC196MC 特别适合于电动机等高速控制领域，在美国工业界受到了普遍 的欢迎和重视。由于它具有性能高，功能全，用户使用方便等特点，尤其是高速的处 理能力和对交流电的特殊应用，因此它必将在我国的数字控制领域广泛采用，也将带 来可观的经济效益和社会效益。同时，它是由 CHMOS 电路构成，功耗低，并具有省 电的工作方式，所以也适于集成于各种电路中长期使用，可靠性极高1112。其主要技 术指标为： （1）工作频率，16 位数据位；MH

62、z168 （2）6 路互补型控制交流电机的 SPWM 波形（P6.0P6.5）和两路用来控制直流 电机的 PWM 波形（P6.6P6.7） ； （3）工作电压：（数字部分） ，（模拟部分） ；工作温度：VDC5 . 55 . 4VDC5 . 54 C 40C 85 3.2.2 80C196MC 单片机的结构 80C196MC 是专门为电机高速控制所设计的一款 16 位微控制器，它由一个 C196 核心、一个三相波形发生器 WFG，算术、逻辑运算部分 RALU，寄存器集，内部 A/D 转换器、事件处理阵列（EPA） 、两个定时器和一个脉宽调制单元 PWM 等部分构成。 基于 80C19 单片机伺服电机调速系统软硬件设计 - 18 - 如图 3.1 所示。 基