單片機(jī)直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：隨著電子技術(shù)、功率元件技術(shù)和高性能的磁性材料制造技術(shù)的發(fā)展，伺服控制直流電動(dòng)機(jī)利用電子換向器取代了機(jī)械電刷和機(jī)械換向器。在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用概況，全面分析伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的組成和原理。著重點(diǎn)介紹伺服控制直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的同時(shí)詳細(xì)介紹了PWM功率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)、PWM系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)及其相關(guān)的保護(hù)電路。計(jì)算機(jī)控制已成為社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)，在此還介紹了單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：伺服控制直流電動(dòng)機(jī)；AT80C51；單片機(jī)；調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)Abstract： With the devel

2、opment of electronic technology, power component technology and high-performance magnetisable material manufacturing technology, brushing the direct current motor utilizes the reversing device of electron to replace the mechanical electric brush and reversing device of machinery. And it is widely us

3、ed in each field. The text introduces the development and use of the direct current motor and the overview, analyse in an all-round way that there are not composition and principle which brushes the direct current motor. Emphasis point introduction is it brush direct current motor transfer speed sys

4、tematic hardware circuit recommend PWM power change the design of the circuit in detail while the design to have, PWM system drives the design of the circuit and relevant protection circuit. Computer is it become social development trend already to control, recommend design, one-chip computer of sys

5、tem and in application in being systematic to transfer speed also here. Keywords: Have not brushed the direct current motor 8051 single-chip computer Adjust the speed to design systematically目 錄第1章 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)概述51.1 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)51.2 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史及研究應(yīng)用現(xiàn)狀61.3 本論文的主要內(nèi)容8第2章 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理92.1 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)

6、的基本組成92.1.1 電動(dòng)機(jī)本體92.1.2 位置傳感器102.1.3 電子換向線路112.2 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性112.3 機(jī)械特性和調(diào)速特性132.4 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)速14第3章 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的硬件設(shè)計(jì)153.1系統(tǒng)組成153.2 單片機(jī)及接口電路設(shè)計(jì)163.2.1 AT80C51的引腳及功能163.3 電動(dòng)機(jī)PWM的設(shè)計(jì)183.4電動(dòng)機(jī)換相203.4.1電動(dòng)機(jī)的換相原理203.4.2 電動(dòng)機(jī)的可逆換相203.5轉(zhuǎn)速環(huán)及電流環(huán)電路的設(shè)計(jì)213.5.1位置傳感器213.5.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)233.5.3 電流傳感器及電流環(huán)的設(shè)計(jì)243.6 系統(tǒng)保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)25

7、3.6.1 過(guò)壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)253.6.2 過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)263.7.3 利用保護(hù)信號(hào)產(chǎn)生中斷信號(hào)273.8 D/A轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)273.8.1 D/A芯片選擇273.8.2 DAC0832芯片介紹293.8.3 DAC0832芯片與單片機(jī)硬件接口設(shè)計(jì)303.8.4 放大整形313.9 顯示電路及顯示接口芯片選擇323.9.1 顯示器的選擇323.9.2 顯示器工作方式的選擇333.9.3 LED與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)343.9.4 按鍵電路的設(shè)計(jì)34第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)364.1 系統(tǒng)總程序364.2 D/A轉(zhuǎn)換374.3 鍵掃描程序設(shè)計(jì)384.4 顯示程序設(shè)計(jì)395. 系統(tǒng)的調(diào)試41

8、5.1 硬件的調(diào)試415.2 軟硬件調(diào)試41致 謝43參考文獻(xiàn)44 第1章 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)概述1.1 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)傳統(tǒng)的直流電機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)速性能在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，但機(jī)械電刷卻是它的致命弱點(diǎn)。伺服控制直流電動(dòng)機(jī)就是為了既要保持有刷直流電動(dòng)機(jī)的特性、又要革除電刷和換向器的目的研究開發(fā)的?？刂葡到y(tǒng)中的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)應(yīng)該具有下列優(yōu)點(diǎn):快速性、可控性、可靠性、體積小、重量輕、節(jié)能、效率高、適應(yīng)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性。下面將就這些方面具體分析伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)所在。為了實(shí)現(xiàn)快速的起、停、加速、減速，要求電動(dòng)機(jī)具有小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩，伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子主

9、要是由永磁材料構(gòu)成的磁極體組成，電樞繞組在定子上，因而轉(zhuǎn)子外徑可以相對(duì)較小，轉(zhuǎn)子慣量也就較小;轉(zhuǎn)矩方面，只有直流電動(dòng)機(jī)才能達(dá)到大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和大的最大轉(zhuǎn)矩，而伺服控制直流電動(dòng)機(jī)具有直流電動(dòng)機(jī)的特性，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩都較大。這使得它具有快速性的特點(diǎn)。在可控性方面，直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和繞組流過(guò)的電流成線性關(guān)系，直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩又大，因此可控性最好、最方便。伺服控制直流電動(dòng)機(jī)具有一般有刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性，只要簡(jiǎn)單地改變電動(dòng)機(jī)的輸入電壓的大小就可以在廣闊的范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。在可靠性方面，消除了電刷，也就消除故障的主要根源，伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有繞組，因而在轉(zhuǎn)子上沒有電的損耗，又由于

10、主磁場(chǎng)使恒定的，因此鐵損也是極小的，總的來(lái)說(shuō)，除了軸承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦損耗外，轉(zhuǎn)子方的損耗很小，進(jìn)一步增加了伺服控制直流電動(dòng)機(jī)工作的可靠性。由此可知 ，和其它類型的電動(dòng)機(jī)相比，伺服控制直流電動(dòng)機(jī)不僅較為可靠而且損耗較小，它的電樞在定子上，直接和機(jī)殼相連，散熱條件好，熱傳導(dǎo)系數(shù)大。由于這樣的關(guān)系，在相同的條件下，在相同的出力要求下，伺服控制直流電動(dòng)機(jī)可以設(shè)計(jì)得體積更小，重量更輕。不論是電機(jī)設(shè)計(jì)還是系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高效率、節(jié)約能量都具有重要意義，有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)報(bào)道，美國(guó)55%以上的電力是消耗在電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行上，美國(guó)GE公司曾預(yù)測(cè)，僅在制冷器具的應(yīng)用中，若用伺服控制電機(jī)取代傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)，其效

11、率可提高20%，全美國(guó)一年可節(jié)約用電2.2MkWh。而異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在輕載時(shí)功率因素低，增加線路和電網(wǎng)的損耗，根據(jù)有關(guān)報(bào)導(dǎo)我國(guó)消耗在電動(dòng)機(jī)上的電力占整個(gè)電力的65%以上。因此，提高電動(dòng)機(jī)的效率，選擇損耗最小、效率最高的電機(jī)是很重要的。從以上的分析可以看出，相對(duì)于其他類型的電機(jī)，伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的損耗最小、節(jié)能效率最高。一份資料作過(guò)對(duì)比分析，對(duì)于7.5kW的異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)效率可達(dá)86.4%，但是同樣容量的伺服控制直流電動(dòng)機(jī)效率可達(dá)92.4%。在環(huán)境適應(yīng)性方面，對(duì)于高性能系統(tǒng)，只能采用直流電動(dòng)機(jī)，但在同時(shí)要求長(zhǎng)壽命，免維修以及防爆、防燃的環(huán)境條件下，有刷直流電動(dòng)機(jī)就無(wú)法適應(yīng)，伺服控制直流電動(dòng)機(jī)才

12、是最好的選擇。在經(jīng)濟(jì)性方面，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件的價(jià)格不斷的下降，伺服控制直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、控制器的價(jià)格己經(jīng)和異步機(jī)的變頻器相差不多了，只是由于稀土永磁材料的價(jià)格較貴，伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的成本也較高.但是在考慮綜合指標(biāo)(系統(tǒng)性能、重量、能量消耗)之后，伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用仍呈上升趨勢(shì)。表1.1是對(duì)目前應(yīng)用較廣的幾種類型電動(dòng)機(jī)基本性能所做的比較: 表1.1 基本性能比較表 基本性能電機(jī)類型效率體積控制特性技術(shù)性能結(jié) 構(gòu)壽 命成本（電機(jī)本體）直流電動(dòng)機(jī)較高小好短高伺服控制直流電動(dòng)機(jī)高小較好長(zhǎng)高交流電動(dòng)機(jī) 低大一般長(zhǎng)低開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)較低較小較好長(zhǎng)低1.2 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史及研

13、究應(yīng)用現(xiàn)狀為了解決傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)采用機(jī)械電刷進(jìn)行換向帶來(lái)的種種問(wèn)題，在1917年，博利根(Boligen)提出用整流管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械電刷以實(shí)現(xiàn)換流的思想。1955年美國(guó)D.Harison等人申請(qǐng)了用晶體管換向線路代替有刷直流電機(jī)機(jī)械電刷的專利，標(biāo)志著現(xiàn)代伺服控制直流電機(jī)的誕生。70年代末、80年代初，隨著電機(jī)技術(shù)及其相關(guān)學(xué)科的迅猛發(fā)展，伺服控制直流電機(jī)進(jìn)入了實(shí)用階段，先后研究成功方波和正弦波伺服控制直流電機(jī)，并且在計(jì)算機(jī)外設(shè)等領(lǐng)域開始應(yīng)用，。“伺服控制直流電機(jī)”的概念已由最初的具有電子換向的直流電機(jī)發(fā)展到泛指一切具有傳統(tǒng)直流電機(jī)外部特性的電子換向電機(jī)。80年代以來(lái)，伺服控制直流電機(jī)得到了迅猛

14、的發(fā)展和推廣應(yīng)用，主要是由于大功率開關(guān)器件和大規(guī)模專用集成電路技術(shù)的高速發(fā)展。性能優(yōu)良的、價(jià)格低廉的電子元器件加快了伺服控制直流電機(jī)的更新?lián)Q代步伐:80年代與70年代同類型伺服控制直流電機(jī)相比較，體積縮小到只有原來(lái)的1/10，價(jià)格只有原來(lái)的1/10，從而提高了伺服控制直流電機(jī)的性能價(jià)格比，為其大量應(yīng)用創(chuàng)造了先決條件。高性能永磁材料，如影鉆、欽鐵翻的應(yīng)用，也使伺服控制直流電機(jī)的性能提高和成本降低，為其得到廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。它作為機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)物，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如計(jì)算機(jī)中的磁盤、光盤驅(qū)動(dòng)器、CD唱機(jī)的光盤主軸驅(qū)動(dòng)、隨身聽的磁帶主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)、數(shù)控加工設(shè)備、宇航自動(dòng)機(jī)器、各種

15、記錄儀和繪圖儀筆的驅(qū)動(dòng)等等。進(jìn)入90年代以來(lái)，伺服控制直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的逆變裝置中的開關(guān)元件不僅成本降低，而且向高頻化、大容量、小型化、智能化發(fā)展，同時(shí)，永磁材料的性能不斷提高和完善，加上永磁電機(jī)研究和和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，稀土永磁伺服控制直流電機(jī)的應(yīng)用和開發(fā)進(jìn)入一個(gè)新的階段，目前正向大功率化(高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩)、高功能化和微型化方向發(fā)展。如今伺服控制直流電機(jī)集特種電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)、檢測(cè)元件、控制軟件與硬件于一體，己形成為新一代電動(dòng)伺服系統(tǒng)，體現(xiàn)著當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多最新成果。在國(guó)外，伺服控制直流電機(jī)己得到了較為充分的發(fā)展。目前，在工業(yè)先進(jìn)的國(guó)家(如美國(guó)、英國(guó)、日本、德國(guó)等)里，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中已

16、經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以伺服控制直流電動(dòng)機(jī)代替有刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換。伺服控制直流電機(jī)還在其它領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如辦公自動(dòng)化領(lǐng)域、視聽領(lǐng)域、汽車和電動(dòng)車輛中的應(yīng)用、現(xiàn)代家用電器中的應(yīng)用。而隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題的日益關(guān)注，伺服控制直流電機(jī)在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用更是成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，如美國(guó)福特汽車公司率先把伺服控制直流電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)汽車，并于90年代初推出了第三代電動(dòng)轎車:日本四國(guó)電力株式會(huì)社設(shè)計(jì)的電動(dòng)小客車PIVOT由四個(gè)單機(jī)為6.8kW 的伺服控制直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。針對(duì)家電(空調(diào)、洗衣機(jī))、電動(dòng)車的使用，需要較高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)矩的要求，日本HONDA公司開發(fā)了一種車用的伺服控制直流電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子是用非導(dǎo)磁的不銹鋼

17、將稀土磁體包卷嵌入轉(zhuǎn)子迭片中，具有堅(jiān)固可靠、輸出力矩大和效率高(超過(guò)85%)的特點(diǎn)。在我國(guó)，伺服控制直流電機(jī)的研制始于70年代初期，作為高科技產(chǎn)品受到了我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)落后的制約，其綜合水平低于國(guó)際水平。目前，國(guó)內(nèi)高校、研究單位開展伺服控制直流電機(jī)的研究己有時(shí)日，積累了豐富的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，只是由于自身?xiàng)l件而沒有達(dá)到規(guī)模化生產(chǎn)，大部分仍處于仿真或?qū)嶒?yàn)階段因此，應(yīng)加強(qiáng)與生產(chǎn)廠家的合作，開發(fā)此類高科技產(chǎn)品并使之產(chǎn)業(yè)化。如今，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和微處理器技術(shù)的日益更新，高速微處理器和DSP的出現(xiàn)，還有專用的控制芯片的出現(xiàn)，使得伺服控制直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度、處理能力提高很大。將來(lái)，隨著這

18、些器件的普及和應(yīng)用的擴(kuò)大，器件成本將大幅度地降價(jià)，因此性能明顯更優(yōu)秀的正弦波電流驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)會(huì)比方波驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)更受歡迎。但是，正弦波電流驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)需要帶更高精度的位置傳感器，成本會(huì)更高一些，所以這些替代不是在任何場(chǎng)合下都適用，而是在要求高的情況下。另外，在某些要求不高的場(chǎng)合，無(wú)傳感器的伺服控制直流電動(dòng)機(jī)也得到了廣泛地應(yīng)用。在伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)方面，伺服控制直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)正由傳統(tǒng)的模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向徽處理器控制的數(shù)字技術(shù)。數(shù)字控制技術(shù)使得許多硬件工作都由軟件來(lái)完成，這樣，減少了硬件電路，提高了可靠性和性能，減小了尺寸，提高了效率。數(shù)字控制技術(shù)不僅使系統(tǒng)獲得高精度、高可靠性，還為新型控

19、制理論(如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、參數(shù)自適應(yīng)控制、模糊控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等)的應(yīng)用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。特別是適用于實(shí)時(shí)控制的工業(yè)單片機(jī)和高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)在伺服系統(tǒng)的應(yīng)用，這大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)性能。發(fā)展全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)將是以后的研究重點(diǎn)。1.3 本論文的主要內(nèi)容 系統(tǒng)的總結(jié)了伺服控制直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理并分析了其運(yùn)行特性。針對(duì)本系統(tǒng)繞組三相的特點(diǎn)，選擇了主電路方案及功率開關(guān)元件，并選擇了相應(yīng)的主開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路及緩沖電路；確定了系統(tǒng)的控制方案，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的控制器、電流與位置傳感器、位置與速度信號(hào)處理電路、故障自診斷與保護(hù)電路等，使系統(tǒng)既能良好運(yùn)行，又可以

20、保證系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)保護(hù)功率開關(guān)元件。第2章 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷和換向器因強(qiáng)迫性接觸，造成其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、變化的接觸電阻、火花、噪聲等一系列問(wèn)題，影響了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速精度和性能。隨著電子技術(shù)、功率元件技術(shù)和高性能的磁性材料制造技術(shù)的發(fā)展，伺服控制直流電動(dòng)機(jī)利用電子換向器取代了機(jī)械電刷和機(jī)械換向器。因此，使這種電動(dòng)機(jī)不僅保留了直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且又具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。在宇航、軍事設(shè)施領(lǐng)域及工業(yè)和民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。伺服控制直流電動(dòng)機(jī)是伴隨著數(shù)字控制技術(shù)而產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，因此，采用單片機(jī)為主的數(shù)字控制是伺服控制

21、直流電動(dòng)機(jī)的主要控制手段之一。2.1 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的基本組成 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體，電子換向線路，位置傳感器組成。如圖2.1所示： 直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)本體位置傳感器電子換向線路主轉(zhuǎn)子控制器傳感器定子功率變換器傳感器轉(zhuǎn)子主定子圖2.1 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)組成方框圖2.1.1 電動(dòng)機(jī)本體電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁式同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒有籠型繞組和其他起動(dòng)裝置。電動(dòng)機(jī)本體的主要部件有主定子和主轉(zhuǎn)子，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數(shù)(2P=2、4、)組成。它們首先必須滿足電磁方面的要求，保證在工作氣隙中產(chǎn)生足夠的磁通，電樞繞組允許通過(guò)一定的電流，

22、以便產(chǎn)一定的電磁轉(zhuǎn)矩。其次，要滿足機(jī)械方面的要求，保證機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固和穩(wěn)定，能傳送一定的轉(zhuǎn)矩，并能經(jīng)受住一定環(huán)境條件的考驗(yàn)。此外，還要考慮節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、運(yùn)行可靠和溫升不超過(guò)規(guī)定的限度。 主定子是電動(dòng)機(jī)本體的靜止部分，它由導(dǎo)磁的定子鐵芯、導(dǎo)電的電樞繞組及固定鐵芯和繞組用的一些零部件、絕緣材料、引出部分等組成，如機(jī)殼、絕緣片、槽楔、引出線及環(huán)氧樹脂等。主定子鐵芯由硅鋼片迭成，采用硅鋼片的目的是為了減少主定子的鐵損耗。為了減少噪音和寄生轉(zhuǎn)矩，定子鐵芯采用斜槽(一般斜一個(gè)槽距)。主定 子 繞 組是電動(dòng)機(jī)本體中的一個(gè)最重要部件。當(dāng)電動(dòng)機(jī)接上電源后，電流流入繞組，產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)，后者與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的激磁

23、磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)起來(lái)后，便在定子繞組中產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，吸收了一定電功率并通過(guò)轉(zhuǎn)子輸出一定的機(jī)械功率，從而實(shí)現(xiàn)了將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過(guò)程。顯然，繞組在實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程中起著極為重要的作用。因此，對(duì)繞組的要求為：一方面它能通過(guò)一定的電流，產(chǎn)生足夠的磁動(dòng)勢(shì)以得到足夠的轉(zhuǎn)矩；另一方面，要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，并應(yīng)盡可能節(jié)省有色金屬和絕緣材料。繞組一般分為集中繞組和分布繞組兩種。前者工藝簡(jiǎn)單，制造方便，但因繞組集中在一起，空間利用率差，發(fā)熱集中，對(duì)散熱不利，此外抑制諧波能力差。后者工藝較復(fù)雜，但能克服前者的一些不足。為了更好地改善電動(dòng)機(jī)的性能，一般伺服控制直流電動(dòng)機(jī)多采用雙層繞組

24、。伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的主定子繞組可以是兩相、三相以及多相等，其連接形式主要有星形連接和封閉形連接兩種，但也有特殊連接形式的，不同的電樞繞組結(jié)構(gòu)決定了不同的電子換向線路。主轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)本體的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，是產(chǎn)生激磁磁場(chǎng)的部件。它由三部分組成:永磁體、導(dǎo)磁體和支撐零部件。永磁體和導(dǎo)磁體是產(chǎn)生磁場(chǎng)的核心，由永磁材料和導(dǎo)磁材料組成。伺服控制直流電動(dòng)機(jī)常采用的永磁材料有以下幾種:鋁鎳鉆合金、鐵氧體永磁材料以及高磁能積的稀土鉆永磁材料、欽鐵硼永磁材料等.導(dǎo)磁材料一般用10號(hào)鋼或工業(yè)用電工純鐵等。機(jī)械支撐零部件主要是指轉(zhuǎn)軸、軸套和壓圈等，它們起固定永磁體和導(dǎo)磁體的作用，轉(zhuǎn)軸由不導(dǎo)磁材料車磨而成，要求它具有一定的

25、機(jī)械強(qiáng)度和鋼度。軸套和壓圈通常山黃銅或鋁等不導(dǎo)磁材料做成。2.1.2 位置傳感器位置傳感器在伺服控制直流電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為電子換向線路提供正確的換向信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后去控制定子繞組換相?？梢娢恢脗鞲衅魇菍?shí)現(xiàn)無(wú)接觸換向的一個(gè)極其重要部件。因此，它是伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部分。位置傳感器和電動(dòng)機(jī)本體一樣，也由靜止部分和運(yùn)動(dòng)部分組成，即位置傳感器定子和位置傳感器轉(zhuǎn)子。位置傳感器的種類很多，且各具特點(diǎn)，按動(dòng)作原理可分為敏感式、藕合式、諧振式和接近式。敏感式位置傳感器是利用敏感元件來(lái)感受出轉(zhuǎn)子的位置，并輸出一信號(hào)經(jīng)邏輯處理后去控制各相繞組的導(dǎo)通順

26、序。常用的敏感元件有光敏元件(如光電二極管、光電三極管和光電池等)和磁敏元件(如霍爾元件、磁敏電阻、磁敏二極管和磁敏三極管等)。藕合式是指變壓器禍合(即磁電式)和高頻空芯線圈藕合等。諧振式是由電感、電容等元件組成，當(dāng)達(dá)到諧振條件時(shí)，輸出信號(hào)為最大，借此去控制電樞繞組的導(dǎo)通。接近式是利用接近某物而動(dòng)作的原理所組成的一種位置傳感器。此外，近期還出現(xiàn)了利用電動(dòng)機(jī)定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)作為轉(zhuǎn)子磁鋼的位置信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)檢出，并經(jīng)數(shù)字電路邏輯處理隔離放大后，并送給功率變換器去控制伺服控制直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組的換相。由于它省去了位置傳感器，使得伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，因而近年來(lái)的應(yīng)用日趨廣泛。本系統(tǒng)采用

27、的伺服控制直流電動(dòng)機(jī)采用了霍爾傳感器。2.1.3 電子換向線路電子換向線路由控制電路和功率變換器兩大部分組成，它與位置傳感器相配合，去控制電動(dòng)機(jī)定子各相繞組通電的順序和時(shí)間，起到了與機(jī)械換向相類似的作用。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，功率變換器接受控制電路的控制信息，將系統(tǒng)工作電源的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給伺服控制直流電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組，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)。但位置傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)一般不能直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)功率變換器的功率開關(guān)元件，往往需要經(jīng)過(guò)控制電路一定邏輯處理、隔離放大后才能去驅(qū)動(dòng)功率變換器的開關(guān)元件。由此可見，電子換向線路也是伺服控制直

28、流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸換向的一個(gè)重要組成部分。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)電子換向線路的基本要求是:(1) 線路簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，功耗??；(2) 運(yùn)行穩(wěn)定可靠，故障保護(hù)功能強(qiáng)；(3) 能按照位置傳感器的信號(hào)進(jìn)行正確換向，并能控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)；(4) 應(yīng)能滿足不同環(huán)境條件的要求，長(zhǎng)期運(yùn)行。本系統(tǒng)采用智能功率模塊（IPM），它使用表面貼裝技術(shù)將三相橋臂的六個(gè)IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路集成在一個(gè)模塊內(nèi)。2.2 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 電動(dòng)機(jī)是一種輸入電功率、輸出機(jī)械功率的原動(dòng)機(jī)械。因此，我們最關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨輸入電壓、電流、負(fù)載變化而變化的規(guī)律。據(jù)此，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性可分為:起動(dòng)

29、特性、工作特性、機(jī)械特性和調(diào)速特性。討論各種電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性時(shí)，一般都從電勢(shì)公式(即轉(zhuǎn)速公式)、電勢(shì)平衡方程式、轉(zhuǎn)矩公式和轉(zhuǎn)矩平衡方程式出發(fā)。對(duì)于伺服控制直流電動(dòng)機(jī)，其電勢(shì)平衡方程式為: (2- 1)式中 電源電壓(V) 電 樞繞組反電勢(shì)(V) 平均電樞電流(A) 電樞繞組的平均電阻() 功率晶體管飽和管壓降(V)對(duì)于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞反電勢(shì)均可表示為: (2- 2)式中 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速( ) 反電勢(shì)系數(shù)()由方程式(2-1)、(2-2)可知 (2- 3)在轉(zhuǎn)速不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩平衡方程式為: (2- 4)式中 電磁轉(zhuǎn)矩() 輸出轉(zhuǎn)矩() 摩擦轉(zhuǎn)矩()這里 (2- 5) 轉(zhuǎn)矩系數(shù)()

30、.在轉(zhuǎn)速變動(dòng)情況下，則有 (2- 6) 式中系數(shù) 轉(zhuǎn)動(dòng)部分(包括電動(dòng)機(jī)本體轉(zhuǎn)子、傳感器轉(zhuǎn)子及負(fù)載)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量() 轉(zhuǎn)子的機(jī)械角加速度() 下面從這些基本公式出發(fā)，來(lái)討論伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行特性。1. 起動(dòng)特性由方程(2-1). (2-5), (2-6)可知，電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，由于反電勢(shì)為零，因此電樞電流(即起動(dòng)電流)為 (2- 7)其值可為正常工作電樞電流的幾倍到十幾倍。所以起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動(dòng)機(jī)可以很快起動(dòng)，并能帶負(fù)載直接起動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電勢(shì)E增加，電磁轉(zhuǎn)矩降低，加速力矩也減小，最后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。 圖 2.2 機(jī)械特性曲線 2.3 機(jī)械特性和調(diào)速特性機(jī)械特性是指外加電源電

31、壓恒定時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。由方程式(2-1),(2-2)和(2-3)可知 (2-8)我們知道，式(2-8)等號(hào)右邊的第一項(xiàng)是常數(shù)(當(dāng)不計(jì)U的變化和電樞反應(yīng)的影響時(shí))。所以，電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的減小而線性增加，如圖2-2所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，即為起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)方程式(2-8)右邊二項(xiàng)相等時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時(shí)的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。實(shí)際上，由于電動(dòng)機(jī)損耗中可變部分及電樞反應(yīng)的影響，輸出轉(zhuǎn)矩稍稍偏離直線變化。又因?yàn)楣β示w管的飽和管壓降隨著集電極電流的變化而變化，在基極電流不變時(shí)。功率晶體管的飽和壓降和集電極電流之間成正比的關(guān)系。所以，隨著轉(zhuǎn)速的減小，電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)也減小，電樞電流增

32、加，增大，到一定值以后，增加較快。所以機(jī)械特性曲線在接近堵轉(zhuǎn)(即轉(zhuǎn)速很低)時(shí)，加快下跌，如圖2.2所示。 如假定外加直流電壓一定，減小電機(jī)負(fù)載，轉(zhuǎn)速升高，逆變器的觸發(fā)頻率也會(huì)提高，同時(shí)反電勢(shì)增加，電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩也減小。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時(shí)，電機(jī)就維持在一個(gè)較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。如果負(fù)載不變，提高外加直流電壓，則轉(zhuǎn)速升高，逆變器的頻率提高，反電勢(shì)增大，使電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩又呈減小趨勢(shì)，這樣就使電機(jī)維持在一個(gè)較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。由此可見，由于伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的自同步性，其調(diào)速方法與有刷直流電動(dòng)機(jī)非常相似，可通過(guò)調(diào)節(jié)直流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。又從方程式(2-8)可見，改變電源電壓，可以很容易地改變輸出轉(zhuǎn)

33、矩(在同一轉(zhuǎn)速下)或(在同一負(fù)載下)，如圖2-2所示。所以，在電子換向線路及其他控制線路保持不變的情況下，伺服控制直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能很好，可以利用改變電源電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)平滑的調(diào)速。這說(shuō)明伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性與普通直流電動(dòng)機(jī)極為相似，有著良好的控制性能。2.4 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)速本系統(tǒng)采用1200導(dǎo)通電壓型三相逆變器，任一時(shí)刻只有兩相通電，因此，伺服控制直流方波電動(dòng)機(jī)的輸出相電壓平均值為對(duì)于每相繞組有如下電壓平衡方程式： （2-9）其中 （2-10）式中: 、為電機(jī)兩端的平均電壓與電流；為回路的等效總電阻，它包括電機(jī)兩相繞組和橋路開關(guān)管管壓降等的等效電阻；電勢(shì)常數(shù)。由此得出： （2

34、-11） （2-12）式（2-12）即為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程其中 空載轉(zhuǎn)速 （2-13） 平均電磁轉(zhuǎn)矩 （2-14）式中 轉(zhuǎn)矩常數(shù)式（2-11）表明伺服控制直流方波電動(dòng)機(jī)的速度公式與普通直流電動(dòng)機(jī)的相同，因此，伺服控制直流方波電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)改變平均電壓來(lái)調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)中的平均電壓是通過(guò)調(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的，此即為伺服控制直流方波電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)速原理。 第3章 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的硬件設(shè)計(jì)永磁伺服控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由8051單片機(jī)控制器、功率變換電路、伺服控制直流電動(dòng)機(jī)、位置及電流傳感器四大部分組成。圖3.1為伺服控制直流調(diào)速系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)框圖。其中帶有箭頭的線條為信號(hào)線及其信號(hào)

35、流向。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，以電機(jī)本體為一方，控制裝置為另一方，兩者是密切相關(guān)、不可分割的。本章將討論功率變換器、位置及電流傳感器、控制器的工作原理和設(shè)計(jì)方法，給出上述各個(gè)部分的設(shè)計(jì)方案。3.1系統(tǒng)組成伺服控制直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示，基本可以分為四大部分，即電機(jī)本體、位置傳感器、主回路和控制回路。(1) 機(jī)組部分:電機(jī)定子繞組三相四極星形連接，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)為梯形波；在轉(zhuǎn)軸上安裝有霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器，在機(jī)座上安裝有三個(gè)互差120電角度的霍爾定子位置傳感器，輸出三個(gè)互差1200電角度、脈寬為1800電角度的位置信號(hào)，用作系統(tǒng)的位置及速度檢測(cè)。(2) 主回路部分: 主回路主要包括工作電

36、源、整流器、充電限流電阻R、儲(chǔ)能濾波電容C、和智能功率模塊（IPM）構(gòu)成。單相交流電壓經(jīng)整流二極管模塊整流，大電容濾波之后，送到IPM逆變。為典型的交直交電壓型變頻器結(jié)構(gòu)。其中的整流器和IGBT逆變橋都是模塊形式，目都固定在同一片散熱器上，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。主電路通過(guò)直流斬波器以PWM方式向伺服控制直流電動(dòng)機(jī)提供頻率可變的矩形波形驅(qū)動(dòng)電流。主回路如圖3.2圖3.2 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)主回路(3) 控制回路部分:主要8051單片機(jī)、檢測(cè)電路、保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。8051是控制部分的核心，它參與整個(gè)系統(tǒng)的控制與管理，并用來(lái)完成速度、電流的雙閉環(huán)控制，三路位置信號(hào)的邏輯處理以及輸出三相六路的PWM

37、波；檢測(cè)電路完成系統(tǒng)的位置、速度和電流的檢測(cè)處理，使系統(tǒng)有機(jī)地運(yùn)行；保護(hù)電路完成系統(tǒng)的過(guò)壓、欠壓、過(guò)流等各種故障信號(hào)自診斷與保護(hù)功能，確保系統(tǒng)能安全可靠地工作:驅(qū)動(dòng)電路采用IGBT專用驅(qū)動(dòng)模智能功率模塊（IPM）。整個(gè)控制系統(tǒng)我們是采用以8051單片機(jī)為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。8051單片機(jī)負(fù)責(zé)電流及轉(zhuǎn)速的采樣，并完成控制策略的運(yùn)算，然后輸出控制量，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。8051的控制接線圖見附錄圖1。3.2 單片機(jī)及接口電路設(shè)計(jì) 3.2.1 AT8051的引腳及功能8051單片機(jī)的管腳說(shuō)明如圖32所示。圖3-2 8051單片機(jī)的管腳說(shuō)明 (1) 主要電源引腳 VSS 電源端 GND 接地端(2) 外

38、接晶體引腳XTAL1和XTAL2 XTAL1 接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，該引腳接收振蕩器的信號(hào)，既把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2 接外部晶體的另一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)懸浮不連接。(3) 輸入/輸出引腳 P0.0 P0.7、P10.P1.7、P2.0 P2.7 和P3.0P3.7。 P0端口（P0.0 P0.7） P0是一個(gè)8位漏極開路型雙向I/O端口。作為輸出口用時(shí)，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL輸入，對(duì)端口寫1時(shí)，又可作高阻抗輸入端

39、用。在訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址（低8位）/數(shù)據(jù)總線，在訪問(wèn)期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。 P1端口（P1.0 P1.7） P1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。作輸入口時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。 P2端口 （P2.0P2.7） P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入

40、口。P2作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(如執(zhí)行MOVX DPTR指令)時(shí)，P2送出高8位地址。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(如執(zhí)行MOVX Ri , A指令)時(shí)，P2口引腳上的內(nèi)容(就是專用寄存器(SFR)區(qū)中P2寄存器的內(nèi)容)，在整個(gè)訪問(wèn)期間不會(huì)改變。 P3端口（P3.0P3.7） P3 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流方式)4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。P3作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電

41、阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在AT8051中，P3端口還用于一些專門功能，這些兼用功能如下：(1) P3.0 RXD（串行輸入口）(2) P3.1 TXD（串行輸出口）(3) P3.2 /INT0（外部中斷0）(4) P3.3 /INT1（外部中斷1）(5) P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）(6) P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）(7) P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）(8) P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）(9) P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)3振蕩器特性： XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩

42、器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。由于輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。4芯片擦除：整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合， ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。3.3 電動(dòng)機(jī)PWM的設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具體電路見下圖二。本電路采用的是基于PWM原理的H型橋式驅(qū)動(dòng)電路。圖二PWM電路由四個(gè)大功率晶體管組成H型橋式電路構(gòu)成，四部分晶體管以對(duì)角

43、組合分為兩組：根據(jù)兩個(gè)輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導(dǎo)通和截止。4個(gè)二極管在電路中起防止晶體管產(chǎn)生反向電壓的保護(hù)作用。4個(gè)電感在電路中是起防止電動(dòng)機(jī)兩端的電流和晶體管上的電流過(guò)大的保護(hù)作用。 在實(shí)驗(yàn)中的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為5v電源，因此若達(dá)林頓管基極由控制系統(tǒng)直接控制，則控制電壓最高為5V，再加上三極管本身壓降，加到電動(dòng)機(jī)兩端的電壓就只有4V左右，嚴(yán)重減弱了電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力?；谏鲜隹紤]，我們運(yùn)用了4N25光耦集成塊，將控制部分與電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分隔離開來(lái)。輸入端各通過(guò)一個(gè)三極管增大光耦的驅(qū)動(dòng)電流；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過(guò)外接12V電源驅(qū)動(dòng)。這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動(dòng)電流得到了大大的增強(qiáng)

44、。 在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)方面，我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號(hào)控制。脈沖頻率對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負(fù)載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在40Hz以上，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，但加負(fù)載后，速度下降明顯，低速時(shí)甚至?xí)＾D(zhuǎn)；脈沖頻率在10Hz以下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有明顯跳動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明，脈沖頻率在15Hz-30Hz時(shí)效果最佳。而具體采用的頻率可根據(jù)個(gè)別電動(dòng)機(jī)性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過(guò)N1輸入信號(hào)，N2輸入低電平與N1輸入低電平，N2輸入信號(hào)分別實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)功能。通過(guò)對(duì)信號(hào)占空比的調(diào)整來(lái)對(duì)車速進(jìn)行調(diào)節(jié)。速度分7檔控制，從高電平（第6檔）到低電平（第0檔）中間占空比以20%

45、逐極遞減。速度微調(diào)方面，可以通過(guò)對(duì)占空比以1%的跨度逐增或逐減分別實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的逐加或逐減。3.4電動(dòng)機(jī)換相3.4.1電動(dòng)機(jī)的換相原理本系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)Sa、Sb、Sc控制三相繞組的通電順序，三相繞組供電與否由功率變換器的開關(guān)管IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷確定，而IGBT的通斷順序不僅和轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，還與電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)。本系統(tǒng)的定子繞組工作在兩相導(dǎo)通三相六拍運(yùn)行狀態(tài)。在此換相方式下，不難給出本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)、三相繞組相電流以及控制芯片內(nèi)PWM電路六路換向控制輸出信號(hào)的波形圖。電機(jī)繞組電流的換相時(shí)刻是轉(zhuǎn)子磁極位置確定的，可以把位置傳感器編碼結(jié)果與功率變換器的開關(guān)導(dǎo)通順一一 對(duì)應(yīng)起來(lái)，當(dāng)S

46、aSbSc=101時(shí)，T1,T 6相導(dǎo)通，A,B相通電；當(dāng)SaSbSc=100時(shí)，T1, T2導(dǎo)通，A, C相通電，完成換相，如此往復(fù)，電機(jī)就能運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。為了更清晰地說(shuō)明問(wèn)題，特將轉(zhuǎn)子位置編碼、功率變換器開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)列成一個(gè)換相表，見表3.1。表3.1 三相全波換相表（正轉(zhuǎn)）節(jié)拍位置編碼SaSbSc導(dǎo)通管子 PWM電路管腳輸出狀態(tài)PWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM60101T6，T1通斷斷PWM斷斷1100T1，T2通斷斷斷斷PWM2110T2，T3斷斷通斷斷PWM3010T3，T4斷PWM通斷斷斷4011T4，T5斷PWM斷斷通斷5001T5，T6斷斷斷PWM通斷 如表4.1，

47、每個(gè)節(jié)拍對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子位置600電度角，不同的節(jié)拍對(duì)應(yīng)不同的PWM電路輸出狀態(tài)。表中“通”表示PWM電路的有關(guān)管腳輸出為低電平，因本系統(tǒng)的換相控制信號(hào)為低電平有效，故與本管腳相對(duì)應(yīng)的開關(guān)管導(dǎo)通；“斷”表示管腳相對(duì)應(yīng)的開關(guān)管截止；“PWM”表示在管腳上出現(xiàn)PWM波形。本系統(tǒng)中8051根據(jù)來(lái)自捕獲管腳的三個(gè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)Sa,Sb ,Sc 的編碼，并通過(guò)PWM電路送出其管腳電平狀態(tài)，就可以實(shí)現(xiàn)伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的定子繞組電流的換相。3.4.2 電動(dòng)機(jī)的可逆換相所謂電機(jī)的可逆換向控制就是電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。在一般的直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，只要改變磁場(chǎng)方向或改變電樞電壓的極性，均可改變其轉(zhuǎn)向。但這些方法在伺服控制

48、直流電動(dòng)機(jī)中行不通。因?yàn)樗欧刂浦绷麟妱?dòng)機(jī)的磁通量由永久磁鋼產(chǎn)生，無(wú)法改變方向；又由于功率開關(guān)元件的單向?qū)щ娦裕娫措妷?指直流側(cè)電壓)反接很不方便，因此在這種情況下，一般都通過(guò)控制定子繞組的換相次序來(lái)改變其轉(zhuǎn)動(dòng)方向。顯然電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)位置傳感器三路位置信號(hào)Sa,Sb,Sc的編碼順序與電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有所不同。 表3.2 三相全波換相表（反轉(zhuǎn)）節(jié)拍位置編碼SaSbSc導(dǎo)通管子 PWM電路管腳輸出狀態(tài)PWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM60110T6，T5斷斷斷PWM通斷1100T5，T4斷PWM斷斷通斷2101T4，T3斷PWM通斷斷斷3001T3，T2斷斷通斷斷PWM4011T4，T1通斷

49、斷斷斷PWM5010T1，T6通斷斷PWM斷斷 不難看出，要想改變定子繞組的換相次序，只需更換一下?lián)Q向控制表，如表3.2所示。這樣一來(lái)，采用表3.1來(lái)控制換相，電動(dòng)機(jī)就正轉(zhuǎn)，而按表3.2來(lái)控制換相，則電動(dòng)機(jī)就反轉(zhuǎn)，非常方便。3.5轉(zhuǎn)速環(huán)及電流環(huán)電路的設(shè)計(jì)3.5.1位置傳感器 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)在特定的轉(zhuǎn)子位置導(dǎo)通電機(jī)相繞組以及轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，位置傳感器顯然是一個(gè)不可缺少的重要組成部分。它的主要作用有兩個(gè):一是檢測(cè)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置并提供電機(jī)相繞組的換相信號(hào):二是與控制器一起構(gòu)成轉(zhuǎn)速的反饋環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)位置傳感器應(yīng)以可靠、精確、體積小、壽命長(zhǎng)、價(jià)格適中以及安裝方便為標(biāo)準(zhǔn)。目前，伺服

50、控制直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的位置傳感器多為光電式和霍爾元件式。也有少數(shù)用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器等位置傳感器的，但這些元件成本較高、體積較大、所配線路復(fù)雜，因而只用在高精度的驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)中，在一般伺服控制直流電動(dòng)機(jī)中很少采用。此外，通過(guò)檢測(cè)定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)作為轉(zhuǎn)子磁鋼的位置信號(hào)的無(wú)位置傳感器方案，由于其具有無(wú)換向火花、無(wú)無(wú)線電干擾、壽命長(zhǎng)、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，而且不必為一般伺服控制直流電動(dòng)機(jī)所必需的位置傳感器帶來(lái)的對(duì)體積、成本、制造工藝的較高要求和抗干擾性差的問(wèn)題而擔(dān)憂，因而是伺服控制直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中極具吸引力的研究課題之一。但目前的無(wú)位置傳感器方案使系統(tǒng)的控制比較復(fù)雜、成本高，加

51、之研究仍處于不成熟階段，故在一般應(yīng)用中，伺服控制直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仍配置位置傳感器。光電式位置傳感器具有定位精度高、價(jià)格便宜、易加工等特點(diǎn)，但對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力較差，輸出信號(hào)沿需加以整形電路處理?；魻栐轿恢脗鞲衅鲗?duì)環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，輸出信號(hào)沿好，無(wú)需處理電路，但永磁塊價(jià)格較高，加工不易，且各永磁塊間的磁性不均勻。本系統(tǒng)采用了霍爾元件式位置傳感器?；魻栐抢迷诨魻栃?yīng)產(chǎn)生電壓輸出的元件，它產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很低，在應(yīng)用時(shí)往往要外接放大器，很不方便。隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，將霍爾元件。半導(dǎo)體集成電路一起制作在同一塊硅芯片上，這就構(gòu)成了霍爾集成電路。它與一般的小型三極管相似，應(yīng)用起來(lái)非常方便?；魻?/p>

52、集成電路它是由穩(wěn)壓器、霍爾電壓發(fā)生器、信號(hào)放大器、施密特觸發(fā)器和輸出驅(qū)動(dòng)器組成的?；魻柤呻娐酚芯€性型和開關(guān)型兩種。一般而言，伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的位置傳感器宜選用開關(guān)型的位置傳感器，其開關(guān)特性曲線如圖3.5所示： 圖3.5 霍爾傳感器的開關(guān)特性霍爾元件式位置傳感器由靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分兩部分組成。靜止部分由一組霍爾元件及永磁塊組成，固定在電機(jī)機(jī)座上；轉(zhuǎn)動(dòng)部分為一個(gè)開有齒、槽的遮擋盤(其赤、槽數(shù)分別與電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)相等)固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。通過(guò)遮擋盤的齒部的遮擋與不遮擋，使霍爾元件產(chǎn)生高、低電平信號(hào)(注意單OC輸出霍爾集成電路的輸出應(yīng)接上拉電阻)，從而提供了伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位

53、置信息。對(duì)于m相2p極伺服控制直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其位置傳感器靜止部分上的傳感元件數(shù)一般與繞組相等，也可能比繞組相數(shù)少一半(m為偶數(shù)時(shí))。在靜止部分的圓周空間上，相鄰的傳感元件之間的機(jī)械夾角為： （4-1）式中，m為電機(jī)繞組相數(shù)(m3)；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。m個(gè)傳感元件在空間對(duì)稱分布，其中第k個(gè)傳感元件與第k相繞組平面之間的機(jī)械夾角為: (4-2) 本文以研制的三相四極永磁方波伺服控制直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)樣機(jī)為例，介紹所設(shè)計(jì)的位置傳感器。Sa, Sb, Sc:當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針移動(dòng)時(shí)，遮擋盤的齒部進(jìn)入霍爾傳感器定子內(nèi)，此時(shí)由于永磁塊的磁力塊的磁力線被齒部所短路，磁力線不穿越霍為元件，霍爾元件輸出為“1”（高電平）；當(dāng)齒部離開時(shí)，磁力線穿越霍爾兒件，霍爾元件輸出為“O”(低電平)。這樣，根據(jù)這三個(gè)霍爾元件的輸出狀態(tài)Sa、 Sb、 Sc，就可以準(zhǔn)確地確定轉(zhuǎn)子的磁極位置。例如，齒部準(zhǔn)備進(jìn)入Sa時(shí)，