畢業(yè)設(shè)計（論文）單片機直流電機伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

1、單片機直流電機伺服控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：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，伺服控制直流電動機利用電子換向器取代了機械電刷和機械換向器。在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了伺服控制直流電動機的發(fā)展及應(yīng)用概況，全面分析伺服控制直流電動機的組成和原理。著重點介紹伺服控制直流電動機調(diào)速系統(tǒng)硬件電路設(shè)計的同時詳細(xì)介紹了pwm功率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計、pwm系統(tǒng)驅(qū)動電路的設(shè)計及其相關(guān)的保護電路。計算機控制已成為社會發(fā)展的趨勢，在此還介紹了單片機系統(tǒng)的設(shè)計及其在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：伺服控制直流電動機；at80c51；單片機；調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計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 伺服控制直流電動機概述51.1 伺服控制直流電動機的特點51.2 伺服控制直流電動機的發(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 伺服控制直流電動機結(jié)構(gòu)及工作原理92.1 伺服控制直流電動機

6、的基本組成92.1.1 電動機本體92.1.2 位置傳感器102.1.3 電子換向線路112.2 伺服控制直流電動機的運行特性112.3 機械特性和調(diào)速特性132.4 伺服控制直流電動機的脈寬調(diào)速14第3章 伺服控制直流電動機的硬件設(shè)計153.1系統(tǒng)組成153.2 單片機及接口電路設(shè)計163.2.1 at80c51的引腳及功能163.3 電動機pwm的設(shè)計183.4電動機換相203.4.1電動機的換相原理203.4.2 電動機的可逆換相203.5轉(zhuǎn)速環(huán)及電流環(huán)電路的設(shè)計213.5.1位置傳感器213.5.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計233.5.3 電流傳感器及電流環(huán)的設(shè)計243.6 系統(tǒng)保護環(huán)節(jié)的設(shè)計25

7、3.6.1 過壓保護電路的設(shè)計253.6.2 過流保護電路的設(shè)計263.7.3 利用保護信號產(chǎn)生中斷信號273.8 d/a轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計273.8.1 d/a芯片選擇273.8.2 dac0832芯片介紹293.8.3 dac0832芯片與單片機硬件接口設(shè)計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與單片機的接口電路設(shè)計343.9.4 按鍵電路的設(shè)計34第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計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384.4 顯示程序設(shè)計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44 第1章 伺服控制直流電動機概述1.1 伺服控制直流電動機的特點傳統(tǒng)的直流電機以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)速性能在運動領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，但機械電刷卻是它的致命弱點。伺服控制直流電動機就是為了既要保持有刷直流電動機的特性、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)行電動機應(yīng)該具有下列優(yōu)點: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)濟性。下面將就這些方面具體分析伺服控制直流電動機的優(yōu)點所在。為了實現(xiàn)快速的起、停、加速、減速，要求電動機具有小的轉(zhuǎn)動慣量和大的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩，伺服控制直流電動機的轉(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)子外徑可以相對較小，轉(zhuǎn)子慣量也就較小;轉(zhuǎn)矩方面，只有直流電動機才能達到大的起動轉(zhuǎn)矩和大的最大轉(zhuǎn)矩，而伺服控制直流電動機具有直流電動機的特性，起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩都較大。這使得它具有快速性的特點。在可控性方面，直流電動機的輸出轉(zhuǎn)矩和繞組流過的電流成線性關(guān)系，直流電動機的起動轉(zhuǎn)矩又大，因此可控性最好、最方便。伺服控制直流電動機具有一般有刷直流電動機的調(diào)速特性，只要簡單地改變電動機的輸入電壓的大小就可以在廣闊的范圍內(nèi)進行無級調(diào)速。在可靠性方面，消除了電刷，也就消除故障的主要根源，伺服控制直流電動機的轉(zhuǎn)子上沒有繞組，因而在轉(zhuǎn)子上沒有電的損耗，又由于

10、主磁場使恒定的，因此鐵損也是極小的，總的來說，除了軸承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦損耗外，轉(zhuǎn)子方的損耗很小，進一步增加了伺服控制直流電動機工作的可靠性。由此可知 ，和其它類型的電動機相比，伺服控制直流電動機不僅較為可靠而且損耗較小，它的電樞在定子上，直接和機殼相連，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，伺服控制直流電動機可以設(shè)計得體積更小，重量更輕。不論是電機設(shè)計還是系統(tǒng)設(shè)計，提高效率、節(jié)約能量都具有重要意義，有著長遠(yuǎn)的社會、經(jīng)濟效益。據(jù)報道，美國55%以上的電力是消耗在電動機的運行上，美國ge公司曾預(yù)測，僅在制冷器具的應(yīng)用中，若用伺服控制電機取代傳統(tǒng)的異步電動機，其效

11、率可提高20%，全美國一年可節(jié)約用電2.2mkwh。而異步電動機運行在輕載時功率因素低，增加線路和電網(wǎng)的損耗，根據(jù)有關(guān)報導(dǎo)我國消耗在電動機上的電力占整個電力的65%以上。因此，提高電動機的效率，選擇損耗最小、效率最高的電機是很重要的。從以上的分析可以看出，相對于其他類型的電機，伺服控制直流電動機的損耗最小、節(jié)能效率最高。一份資料作過對比分析，對于7.5kw的異步電動機系統(tǒng)效率可達86.4%，但是同樣容量的伺服控制直流電動機效率可達92.4%。在環(huán)境適應(yīng)性方面，對于高性能系統(tǒng)，只能采用直流電動機，但在同時要求長壽命，免維修以及防爆、防燃的環(huán)境條件下，有刷直流電動機就無法適應(yīng)，伺服控制直流電動機才

12、是最好的選擇。在經(jīng)濟性方面，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件的價格不斷的下降，伺服控制直流電動機驅(qū)動、控制器的價格己經(jīng)和異步機的變頻器相差不多了，只是由于稀土永磁材料的價格較貴，伺服控制直流電動機的成本也較高.但是在考慮綜合指標(biāo)(系統(tǒng)性能、重量、能量消耗)之后，伺服控制直流電動機的應(yīng)用仍呈上升趨勢。表1.1是對目前應(yīng)用較廣的幾種類型電動機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（電機本體）直流電動機較高小好短高伺服控制直流電動機高小較好長高交流電動機 低大一般長低開關(guān)磁阻電動機較低較小較好長低1.2 伺服控制直流電動機的發(fā)展歷史及研

13、究應(yīng)用現(xiàn)狀為了解決傳統(tǒng)的直流電動機采用機械電刷進行換向帶來的種種問題，在1917年，博利根(boligen)提出用整流管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械電刷以實現(xiàn)換流的思想。1955年美國d.harison等人申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電機機械電刷的專利，標(biāo)志著現(xiàn)代伺服控制直流電機的誕生。70年代末、80年代初，隨著電機技術(shù)及其相關(guān)學(xué)科的迅猛發(fā)展，伺服控制直流電機進入了實用階段，先后研究成功方波和正弦波伺服控制直流電機，并且在計算機外設(shè)等領(lǐng)域開始應(yīng)用，?！八欧刂浦绷麟姍C”的概念已由最初的具有電子換向的直流電機發(fā)展到泛指一切具有傳統(tǒng)直流電機外部特性的電子換向電機。80年代以來，伺服控制直流電機得到了迅猛

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、價格低廉的電子元器件加快了伺服控制直流電機的更新?lián)Q代步伐:80年代與70年代同類型伺服控制直流電機相比較，體積縮小到只有原來的1/10，價格只有原來的1/10，從而提高了伺服控制直流電機的性能價格比，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的性能提高和成本降低，為其得到廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。它作為機電一體化的高科技產(chǎn)物，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如計算機中的磁盤、光盤驅(qū)動器、cd唱機的光盤主軸驅(qū)動、隨身聽的磁帶主動輪驅(qū)動、數(shù)控加工設(shè)備、宇航自動機器、各種

15、記錄儀和繪圖儀筆的驅(qū)動等等。進入90年代以來，伺服控制直流電機伺服系統(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，永磁材料的性能不斷提高和完善，加上永磁電機研究和和開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟，稀土永磁伺服控制直流電機的應(yīng)用和開發(fā)進入一個新的階段，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集特種電機、變速機構(gòu)、檢測元件、控制軟件與硬件于一體，己形成為新一代電動伺服系統(tǒng)，體現(xiàn)著當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多最新成果。在國外，伺服控制直流電機己得到了較為充分的發(fā)展。目前，在工業(yè)先進的國家(如美國、英國、日本、德國等)里，在工業(yè)自動化領(lǐng)域中已

16、經(jīng)實現(xiàn)了以伺服控制直流電動機代替有刷電動機的轉(zhuǎn)換。伺服控制直流電機還在其它領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如辦公自動化領(lǐng)域、視聽領(lǐng)域、汽車和電動車輛中的應(yīng)用、現(xiàn)代家用電器中的應(yīng)用。而隨著人們對環(huán)境問題和能源問題的日益關(guān)注，伺服控制直流電機在電動汽車中的應(yīng)用更是成為近年來研究的熱點，如美國福特汽車公司率先把伺服控制直流電機應(yīng)用于電動汽車，并于90年代初推出了第三代電動轎車:日本四國電力株式會社設(shè)計的電動小客車pivot由四個單機為6.8kw 的伺服控制直流電動機驅(qū)動。針對家電(空調(diào)、洗衣機)、電動車的使用，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機，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，具有堅固可靠、輸出力矩大和效率高(超過85%)的特點。在我國，伺服控制直流電機的研制始于70年代初期，作為高科技產(chǎn)品受到了我國基礎(chǔ)工業(yè)落后的制約，其綜合水平低于國際水平。目前，國內(nèi)高校、研究單位開展伺服控制直流電機的研究己有時日，積累了豐富的設(shè)計理論和設(shè)計經(jīng)驗，只是由于自身條件而沒有達到規(guī)?；a(chǎn)，大部分仍處于仿真或?qū)嶒炿A段因此，應(yīng)加強與生產(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機控制系統(tǒng)的運行速度、處理能力提高很大。將來，隨著這

18、些器件的普及和應(yīng)用的擴大，器件成本將大幅度地降價，因此性能明顯更優(yōu)秀的正弦波電流驅(qū)動的電動機會比方波驅(qū)動的電動機更受歡迎。但是，正弦波電流驅(qū)動的電動機需要帶更高精度的位置傳感器，成本會更高一些，所以這些替代不是在任何場合下都適用，而是在要求高的情況下。另外，在某些要求不高的場合，無傳感器的伺服控制直流電動機也得到了廣泛地應(yīng)用。在伺服控制直流電動機的控制技術(shù)方面，伺服控制直流電動機控制系統(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)。特別是適用于實時控制的工業(yè)單片機和高速數(shù)字信號處理器(dsp)在伺服系統(tǒng)的應(yīng)用，這大大簡化了系統(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。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機調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理并分析了其運行特性。針對本系統(tǒng)繞組三相的特點，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)動電路及緩沖電路；確定了系統(tǒng)的控制方案，設(shè)計了系統(tǒng)的控制器、電流與位置傳感器、位置與速度信號處理電路、故障自診斷與保護電路等，使系統(tǒng)既能良好運行，又可以

20、保證系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時保護功率開關(guān)元件。第2章 伺服控制直流電動機結(jié)構(gòu)及工作原理直流電動機的機械電刷和換向器因強迫性接觸，造成其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、變化的接觸電阻、火花、噪聲等一系列問題，影響了直流電動機的調(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，伺服控制直流電動機利用電子換向器取代了機械電刷和機械換向器。因此，使這種電動機不僅保留了直流電動機的優(yōu)點，而且又具有交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點。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。伺服控制直流電動機是伴隨著數(shù)字控制技術(shù)而產(chǎn)生和發(fā)展起來的，因此，采用單片機為主的數(shù)字控制是伺服控制

21、直流電動機的主要控制手段之一。2.1 伺服控制直流電動機的基本組成 伺服控制直流電動機主要由電動機本體，電子換向線路，位置傳感器組成。如圖2.1所示： 直流電動機電動機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 伺服控制直流電動機組成方框圖2.1.1 電動機本體電動機本體在結(jié)構(gòu)上與永磁式同步電動機相似，但沒有籠型繞組和其他起動裝置。電動機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，電樞繞組允許通過一定的電流，

22、以便產(chǎn)一定的電磁轉(zhuǎn)矩。其次，要滿足機械方面的要求，保證機械結(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。此外，還要考慮節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、運行可靠和溫升不超過規(guī)定的限度。 主定子是電動機本體的靜止部分，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(一般斜一個槽距)。主定 子 繞 組是電動機本體中的一個最重要部件。當(dāng)電動機接上電源后，電流流入繞組，產(chǎn)生磁動勢，后者與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的激磁

23、磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電動機旋轉(zhuǎn)起來后，便在定子繞組中產(chǎn)生反電動勢，吸收了一定電功率并通過轉(zhuǎn)子輸出一定的機械功率，從而實現(xiàn)了將電能轉(zhuǎn)換成機械能的過程。顯然，繞組在實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換過程中起著極為重要的作用。因此，對繞組的要求為：一方面它能通過一定的電流，產(chǎn)生足夠的磁動勢以得到足夠的轉(zhuǎn)矩；另一方面，要求結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，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機的性能，一般伺服控制直流電動機多采用雙層繞組

24、。伺服控制直流電動機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)子是電動機本體的轉(zhuǎn)動部分，是產(chǎn)生激磁磁場的部件。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)生磁場的核心，由永磁材料和導(dǎo)磁材料組成。伺服控制直流電動機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號鋼或工業(yè)用電工純鐵等。機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、機械強度和鋼度。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機中起著測定轉(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轉(zhuǎn)換成電信號，然后去控制定子繞組換相?？梢娢恢脗鞲衅魇菍崿F(xiàn)無接觸換向的一個極其重要部件。因此，它是伺服控制直流電動機的一個關(guān)鍵部分。位置傳感器和電動機本體一樣，也由靜止部分和運動部分組成，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，按動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感受出轉(zhuǎn)子的位置，并輸出一信號經(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)達到諧振條件時，輸出信號為最大，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)了利用電動機定子繞組的反電動勢作為轉(zhuǎn)子磁鋼的位置信號。該信號經(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機電樞繞組的換相。由于它省去了位置傳感器，使得伺服控制直流電動機的結(jié)構(gòu)更加緊湊，因而近年來的應(yīng)用日趨廣泛。本系統(tǒng)采用

27、的伺服控制直流電動機采用了霍爾傳感器。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，去控制電動機定子各相繞組通電的順序和時間，起到了與機械換向相類似的作用。當(dāng)系統(tǒng)運行時，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機定子上各相繞組，以便使電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導(dǎo)通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號。但位置傳感器所產(chǎn)生的信號一般不能直接用來驅(qū)動功率變換器的功率開關(guān)元件，往往需要經(jīng)過控制電路一定邏輯處理、隔離放大后才能去驅(qū)動功率變換器的開關(guān)元件。由此可見，電子換向線路也是伺服控制直

28、流電動機實現(xiàn)無接觸換向的一個重要組成部分。一般來說，對電子換向線路的基本要求是:(1) 線路簡單，體積小，重量輕，功耗小；(2) 運行穩(wěn)定可靠，故障保護功能強；(3) 能按照位置傳感器的信號進行正確換向，并能控制電動機的正反轉(zhuǎn)；(4) 應(yīng)能滿足不同環(huán)境條件的要求，長期運行。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igbt及其驅(qū)動電路、保護電路集成在一個模塊內(nèi)。2.2 伺服控制直流電動機的運行特性 電動機是一種輸入電功率、輸出機械功率的原動機械。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，電動機的運行特性可分為:起動

29、特性、工作特性、機械特性和調(diào)速特性。討論各種電動機的運行特性時，一般都從電勢公式(即轉(zhuǎn)速公式)、電勢平衡方程式、轉(zhuǎn)矩公式和轉(zhuǎn)矩平衡方程式出發(fā)。對于伺服控制直流電動機，其電勢平衡方程式為: (2- 1)式中 電源電壓(v) 電 樞繞組反電勢(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)對于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞反電勢均可表示為: (2- 2)式中 電動機轉(zhuǎn)速( ) 反電勢系數(shù)()由方程式(2-1)、(2-2)可知 (2- 3)在轉(zhuǎn)速不變時，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)速變動情況下，則有 (2- 6) 式中系數(shù) 轉(zhuǎn)動部分(包括電動機本體轉(zhuǎn)子、傳感器轉(zhuǎn)子及負(fù)載)的轉(zhuǎn)動慣量() 轉(zhuǎn)子的機械角加速度() 下面從這些基本公式出發(fā)，來討論伺服控制直流電動機的各種運行特性。1. 起動特性由方程(2-1). (2-5), (2-6)可知，電動機在起動時，由于反電勢為零，因此電樞電流(即起動電流)為 (2- 7)其值可為正常工作電樞電流的幾倍到十幾倍。所以起動電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動機可以很快起動，并能帶負(fù)載直接起動。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電勢e增加，電磁轉(zhuǎn)矩降低，加速力矩也減小，最后進入正常工作狀態(tài)。 圖 2.2 機械特性曲線 2.3 機械特性和調(diào)速特性機械特性是指外加電源電

31、壓恒定時，電動機轉(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)等號右邊的第一項是常數(shù)(當(dāng)不計u的變化和電樞反應(yīng)的影響時)。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，即為起動電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)方程式(2-8)右邊二項相等時，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。實際上，由于電動機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。又因為功率晶體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。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，電動機的反電勢也減小，電樞電流增

32、加，增大，到一定值以后，增加較快。所以機械特性曲線在接近堵轉(zhuǎn)(即轉(zhuǎn)速很低)時，加快下跌，如圖2.2所示。 如假定外加直流電壓一定，減小電機負(fù)載，轉(zhuǎn)速升高，逆變器的觸發(fā)頻率也會提高，同時反電勢增加，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，電機就維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運行。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，反電勢增大，使電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩又呈減小趨勢，這樣就使電機維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運行。由此可見，由于伺服控制直流電動機的自同步性，其調(diào)速方法與有刷直流電動機非常相似，可通過調(diào)節(jié)直流電壓來實現(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，伺服控制直流電動機調(diào)速性能很好，可以利用改變電源電壓來實現(xiàn)平滑的調(diào)速。這說明伺服控制直流電動機的運行特性與普通直流電動機極為相似，有著良好的控制性能。2.4 伺服控制直流電動機的脈寬調(diào)速本系統(tǒng)采用1200導(dǎo)通電壓型三相逆變器，任一時刻只有兩相通電，因此，伺服控制直流方波電動機的輸出相電壓平均值為對于每相繞組有如下電壓平衡方程式： （2-9）其中 （2-10）式中: 、為電機兩端的平均電壓與電流；為回路的等效總電阻，它包括電機兩相繞組和橋路開關(guān)管管壓降等的等效電阻；電勢常數(shù)。由此得出： （2

34、-11） （2-12）式（2-12）即為電動機的機械特性方程其中 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機的速度公式與普通直流電動機的相同，因此，伺服控制直流方波電動機的轉(zhuǎn)速可以通過改變平均電壓來調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)中的平均電壓是通過調(diào)節(jié)pwm脈沖的占空比來實現(xiàn)的，此即為伺服控制直流方波電動機的脈寬調(diào)速原理。 第3章 伺服控制直流電動機的硬件設(shè)計永磁伺服控制直流電機調(diào)速系統(tǒng)由8051單片機控制器、功率變換電路、伺服控制直流電動機、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線及其信號

35、流向。設(shè)計系統(tǒng)時，以電機本體為一方，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)計方法，給出上述各個部分的設(shè)計方案。3.1系統(tǒng)組成伺服控制直流電動機調(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，即電機本體、位置傳感器、主回路和控制回路。(1) 機組部分:電機定子繞組三相四極星形連接，電機轉(zhuǎn)子磁場為梯形波；在轉(zhuǎn)軸上安裝有霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器，在機座上安裝有三個互差120電角度的霍爾定子位置傳感器，輸出三個互差1200電角度、脈寬為1800電角度的位置信號，用作系統(tǒng)的位置及速度檢測。(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，簡化了電路結(jié)構(gòu)。主電路通過直流斬波器以pwm方式向伺服控制直流電動機提供頻率可變的矩形波形驅(qū)動電流。主回路如圖3.2圖3.2 伺服控制直流電動機主回路(3) 控制回路部分:主要8051單片機、檢測電路、保護電路和驅(qū)動電路組成。8051是控制部分的核心，它參與整個系統(tǒng)的控制與管理，并用來完成速度、電流的雙閉環(huán)控制，三路位置信號的邏輯處理以及輸出三相六路的pwm

37、波；檢測電路完成系統(tǒng)的位置、速度和電流的檢測處理，使系統(tǒng)有機地運行；保護電路完成系統(tǒng)的過壓、欠壓、過流等各種故障信號自診斷與保護功能，確保系統(tǒng)能安全可靠地工作:驅(qū)動電路采用igbt專用驅(qū)動模智能功率模塊（ipm）。整個控制系統(tǒng)我們是采用以8051單片機為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。8051單片機負(fù)責(zé)電流及轉(zhuǎn)速的采樣，并完成控制策略的運算，然后輸出控制量，以控制電機的轉(zhuǎn)速。8051的控制接線圖見附錄圖1。3.2 單片機及接口電路設(shè)計 3.2.1 at8051的引腳及功能8051單片機的管腳說明如圖32所示。圖3-2 8051單片機的管腳說明 (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 接外部晶體的一個引腳。在單片機內(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，該引腳接收振蕩器的信號，既把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 xtal2 接外部晶體的另一個引腳。在單片機內(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，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8位漏極開路型雙向i/o端口。作為輸出口用時，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動8個ttl輸入，對端口寫1時，又可作高阻抗輸入端

39、用。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，它是分時多路轉(zhuǎn)換的地址（低8位）/數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。 p1端口（p1.0 p1.7） p1是一個帶有內(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（吸收或輸出電流方式）4個ttl輸入。對端口寫1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。作輸入口時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。 p2端口 （p2.0p2.7） p2是一個帶有內(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（吸收或輸出電流方式）4個ttl輸入。對端口寫1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入

40、口。p2作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(如執(zhí)行movx dptr指令)時，p2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(如執(zhí)行movx ri , a指令)時，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)，在整個訪問期間不會改變。 p3端口（p3.0p3.7） p3 是一個帶有內(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(吸收或輸出電流方式)4個ttl輸入。對端口寫1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。p3作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電

41、阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。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（記時器0外部輸入）(6) p3.5 t1（記時器1外部輸入）(7) p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）(8) p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）(9) p3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號3振蕩器特性：     xtal1和xtal2分別為反向放

42、大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，xtal2應(yīng)不接。由于輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。4芯片擦除：整個perom陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合， ale管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。3.3 電動機pwm的設(shè)計電動機pwm驅(qū)動模塊的電路設(shè)計與實現(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)動電路。圖二pwm電路由四個大功

43、率晶體管組成h型橋式電路構(gòu)成，四部分晶體管以對角組合分為兩組：根據(jù)兩個輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導(dǎo)通和截止。4個二極管在電路中起防止晶體管產(chǎn)生反向電壓的保護作用。4個電感在電路中是起防止電動機兩端的電流和晶體管上的電流過大的保護作用。 在實驗中的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為5v電源，因此若達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，加到電動機兩端的電壓就只有4v左右，嚴(yán)重減弱了電動機的驅(qū)動力?；谏鲜隹紤]，我們運用了4n25光耦集成塊，將控制部分與電動機的驅(qū)動部分隔離開來。輸入端各通過一個三極管增大光耦的驅(qū)動電流；電動機驅(qū)動部分通過外接12v電源驅(qū)動。這樣不僅增加了各系

44、統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動電流得到了大大的增強。 在電動機驅(qū)動信號方面，我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號控制。脈沖頻率對電動機轉(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)實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在40hz以上，電動機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，但加負(fù)載后，速度下降明顯，低速時甚至?xí)＾D(zhuǎn)；脈沖頻率在10hz以下，電動機轉(zhuǎn)動有明顯跳動現(xiàn)象。實驗證明，脈沖頻率在15hz-30hz時效果最佳。而具體采用的頻率可根據(jù)個別電動機性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過n1輸入信號，n2輸入低電平與n1輸入低電平，n2輸入信號分別實現(xiàn)電動機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)功能。通過對信號占空比的調(diào)整來對車速進行調(diào)節(jié)。速度分7檔控制，從高電

45、平（第6檔）到低電平（第0檔）中間占空比以20%逐極遞減。速度微調(diào)方面，可以通過對占空比以1%的跨度逐增或逐減分別實現(xiàn)對速度的逐加或逐減。3.4電動機換相3.4.1電動機的換相原理本系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)子位置傳感器信號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)，還與電機的運行狀態(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、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的波形圖。電機繞組電流的換相時刻是轉(zhuǎn)子磁極位置確定的，可以把位置傳感器編碼

46、結(jié)果與功率變換器的開關(guān)導(dǎo)通順一一 對應(yīng)起來，當(dāng)sasbsc=101時，t1,t 6相導(dǎo)通，a,b相通電；當(dāng)sasbsc=100時，t1, t2導(dǎo)通，a, c相通電，完成換相，如此往復(fù)，電機就能運轉(zhuǎn)起來。為了更清晰地說明問題，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

47、5001t5，t6斷斷斷pwm通斷 如表4.1，每個節(jié)拍對應(yīng)轉(zhuǎn)子位置600電度角，不同的節(jié)拍對應(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)的換相控制信號為低電平有效，故與本管腳相對應(yīng)的開關(guān)管導(dǎo)通；“斷”表示管腳相對應(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)來自捕獲管腳的三個轉(zhuǎn)子位置信號sa,sb ,sc 的編碼，并通過pwm電路送出其管腳電平狀態(tài)，就可以實現(xiàn)伺服控制直流電動機的定子繞組電流的換相。3.4.2 電動機的可逆換相所謂電機的可逆換向控制就是電機的正反轉(zhuǎn)控制。在一般的直流電動機運行過程中，只要改變磁場方向或改變電樞

48、電壓的極性，均可改變其轉(zhuǎn)向。但這些方法在伺服控制直流電動機中行不通。因為伺服控制直流電動機的磁通量由永久磁鋼產(chǎn)生，無法改變方向；又由于功率開關(guān)元件的單向?qū)щ娦?，電源電?指直流側(cè)電壓)反接很不方便，因此在這種情況下，一般都通過控制定子繞組的換相次序來改變其轉(zhuǎn)動方向。顯然電機反轉(zhuǎn)時位置傳感器三路位置信號sa,sb,sc的編碼順序與電機正轉(zhuǎn)時會有所不同。 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3001

49、t3，t2斷斷通斷斷pwm4011t4，t1通斷斷斷斷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，采用表3.1來控制換相，電動機就正轉(zhuǎn)，而按表3.2來控制換相，則電動機就反轉(zhuǎn)，非常方便。3.5轉(zhuǎn)速環(huán)及電流環(huán)電路的設(shè)計3.5.1位置傳感器 伺服控制直流電動機調(diào)速系統(tǒng)要實現(xiàn)在特定的轉(zhuǎn)子位置導(dǎo)通電機相繞組以及轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，位置傳感器顯然是一個不可缺少的重要組成部分。它的主要作用有兩個:一是檢測電機定、轉(zhuǎn)子的相對位置并提供電機相繞組的換相信號:二是與控制器一起構(gòu)成轉(zhuǎn)速的反饋環(huán)節(jié)。設(shè)計位置傳感器應(yīng)以可靠、精確、體積小

50、、壽命長、價格適中以及安裝方便為標(biāo)準(zhǔn)。目前，伺服控制直流電動機調(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)動伺服系統(tǒng)中，在一般伺服控制直流電動機中很少采用。此外，通過檢測定子繞組的反電動勢作為轉(zhuǎn)子磁鋼的位置信號的無位置傳感器方案，由于其具有無換向火花、無無線電干擾、壽命長、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，而且不必為一般伺服控制直流電動機所必需的位置傳感器帶來的對體積、成本、制造工藝的較高要求和抗干擾性差的問題而擔(dān)憂，因而是伺服控制直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中極具吸引力的研究課題之一。但目前的

51、無位置傳感器方案使系統(tǒng)的控制比較復(fù)雜、成本高，加之研究仍處于不成熟階段，故在一般應(yīng)用中，伺服控制直流電動機系統(tǒng)仍配置位置傳感器。光電式位置傳感器具有定位精度高、價格便宜、易加工等特點，但對惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力較差，輸出信號沿需加以整形電路處理。霍爾元件式位置傳感器對環(huán)境適應(yīng)能力較強，輸出信號沿好，無需處理電路，但永磁塊價格較高，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)生的電動勢很低，在應(yīng)用時往往要外接放大器，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。

52、它與一般的小型三極管相似，應(yīng)用起來非常方便?；魻柤呻娐匪怯煞€(wěn)壓器、霍爾電壓發(fā)生器、信號放大器、施密特觸發(fā)器和輸出驅(qū)動器組成的。霍爾集成電路有線性型和開關(guān)型兩種。一般而言，伺服控制直流電動機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，固定在電機機座上；轉(zhuǎn)動部分為一個開有齒、槽的遮擋盤(其赤、槽數(shù)分別與電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)相等)固定在電機轉(zhuǎn)軸上，隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。通過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(注意單oc輸出霍爾集成電路的輸出應(yīng)接

53、上拉電阻)，從而提供了伺服控制直流電動機的轉(zhuǎn)子位置信息。對于m相2p極伺服控制直流電動機來說，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)。在靜止部分的圓周空間上，相鄰的傳感元件之間的機械夾角為： （4-1）式中，m為電機繞組相數(shù)(m3)；p為電機極對數(shù)。m個傳感元件在空間對稱分布，其中第k個傳感元件與第k相繞組平面之間的機械夾角為: (4-2) 本文以研制的三相四極永磁方波伺服控制直流電動機系統(tǒng)樣機為例，介紹所設(shè)計的位置傳感器。sa, sb, sc:當(dāng)電機轉(zhuǎn)軸逆時針移動時，遮擋盤的齒部進入霍爾傳感器定子內(nèi)，此時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，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