毕业设计（论文）单片机直流电机伺服控制系统设计

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1、单片机直流电机伺服控制系统设计摘要：随着电子技术、功率元件技术和高性能的磁性材料制造技术的发展，伺服控制直流电动机利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器。在各个领域得到了广泛的应用。本文介绍了伺服控制直流电动机的发展及应用概况，全面分析伺服控制直流电动机的组成和原理。着重点介绍伺服控制直流电动机调速系统硬件电路设计的同时详细介绍了PWM功率转换电路的设计、PWM系统驱动电路的设计及其相关的保护电路。计算机控制已成为社会发展的趋势，在此还介绍了单片机系统的设计及其在调速系统中的应用。关键词：伺服控制直流电动机；AT80C51；单片机；调速系统设计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 录第1章 伺服控制直流电动机概述51.1 伺服控制直流电动机的特点51.2 伺服控制直流电动机的发展历史及研究应用现状61.3 本论文的主要内容8第2章 伺服控制直流电动机结构及工作原理92.1 伺服控制直流电动机

6、的基本组成92.1.1 电动机本体92.1.2 位置传感器102.1.3 电子换向线路112.2 伺服控制直流电动机的运行特性112.3 机械特性和调速特性132.4 伺服控制直流电动机的脉宽调速14第3章 伺服控制直流电动机的硬件设计153.1系统组成153.2 单片机及接口电路设计163.2.1 AT80C51的引脚及功能163.3 电动机PWM的设计183.4电动机换相203.4.1电动机的换相原理203.4.2 电动机的可逆换相203.5转速环及电流环电路的设计213.5.1位置传感器213.5.2 转速环的设计233.5.3 电流传感器及电流环的设计243.6 系统保护环节的设计25

7、3.6.1 过压保护电路的设计253.6.2 过流保护电路的设计263.7.3 利用保护信号产生中断信号273.8 D/A转换电路的设计273.8.1 D/A芯片选择273.8.2 DAC0832芯片介绍293.8.3 DAC0832芯片与单片机硬件接口设计303.8.4 放大整形313.9 显示电路及显示接口芯片选择323.9.1 显示器的选择323.9.2 显示器工作方式的选择333.9.3 LED与单片机的接口电路设计343.9.4 按键电路的设计34第4章 系统软件设计364.1 系统总程序364.2 D/A转换374.3 键扫描程序设计384.4 显示程序设计395. 系统的调试41

8、5.1 硬件的调试415.2 软硬件调试41致 谢43参考文献44 第1章 伺服控制直流电动机概述1.1 伺服控制直流电动机的特点传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动领域中有着广泛的应用，但机械电刷却是它的致命弱点。伺服控制直流电动机就是为了既要保持有刷直流电动机的特性、又要革除电刷和换向器的目的研究开发的。控制系统中的执行电动机应该具有下列优点:快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率高、适应环境和经济性。下面将就这些方面具体分析伺服控制直流电动机的优点所在。为了实现快速的起、停、加速、减速，要求电动机具有小的转动惯量和大的起动转矩和最大转矩，伺服控制直流电动机的转子主

9、要是由永磁材料构成的磁极体组成，电枢绕组在定子上，因而转子外径可以相对较小，转子惯量也就较小;转矩方面，只有直流电动机才能达到大的起动转矩和大的最大转矩，而伺服控制直流电动机具有直流电动机的特性，起动转矩和最大转矩都较大。这使得它具有快速性的特点。在可控性方面，直流电动机的输出转矩和绕组流过的电流成线性关系，直流电动机的起动转矩又大，因此可控性最好、最方便。伺服控制直流电动机具有一般有刷直流电动机的调速特性，只要简单地改变电动机的输入电压的大小就可以在广阔的范围内进行无级调速。在可靠性方面，消除了电刷，也就消除故障的主要根源，伺服控制直流电动机的转子上没有绕组，因而在转子上没有电的损耗，又由于

10、主磁场使恒定的，因此铁损也是极小的，总的来说，除了轴承旋转产生摩擦损耗外，转子方的损耗很小，进一步增加了伺服控制直流电动机工作的可靠性。由此可知 ，和其它类型的电动机相比，伺服控制直流电动机不仅较为可靠而且损耗较小，它的电枢在定子上，直接和机壳相连，散热条件好，热传导系数大。由于这样的关系，在相同的条件下，在相同的出力要求下，伺服控制直流电动机可以设计得体积更小，重量更轻。不论是电机设计还是系统设计，提高效率、节约能量都具有重要意义，有着长远的社会、经济效益。据报道，美国55%以上的电力是消耗在电动机的运行上，美国GE公司曾预测，仅在制冷器具的应用中，若用伺服控制电机取代传统的异步电动机，其效

11、率可提高20%，全美国一年可节约用电2.2MkWh。而异步电动机运行在轻载时功率因素低，增加线路和电网的损耗，根据有关报导我国消耗在电动机上的电力占整个电力的65%以上。因此，提高电动机的效率，选择损耗最小、效率最高的电机是很重要的。从以上的分析可以看出，相对于其他类型的电机，伺服控制直流电动机的损耗最小、节能效率最高。一份资料作过对比分析，对于7.5kW的异步电动机系统效率可达86.4%，但是同样容量的伺服控制直流电动机效率可达92.4%。在环境适应性方面，对于高性能系统，只能采用直流电动机，但在同时要求长寿命，免维修以及防爆、防燃的环境条件下，有刷直流电动机就无法适应，伺服控制直流电动机才

12、是最好的选择。在经济性方面，随着电子技术的发展，电子元器件的价格不断的下降，伺服控制直流电动机驱动、控制器的价格己经和异步机的变频器相差不多了，只是由于稀土永磁材料的价格较贵，伺服控制直流电动机的成本也较高.但是在考虑综合指标(系统性能、重量、能量消耗)之后，伺服控制直流电动机的应用仍呈上升趋势。表1.1是对目前应用较广的几种类型电动机基本性能所做的比较: 表1.1 基本性能比较表 基本性能电机类型效率体积控制特性技术性能结 构寿 命成本（电机本体）直流电动机较高小好短高伺服控制直流电动机高小较好长高交流电动机 低大一般长低开关磁阻电动机较低较小较好长低1.2 伺服控制直流电动机的发展历史及研

13、究应用现状为了解决传统的直流电动机采用机械电刷进行换向带来的种种问题，在1917年，博利根(Boligen)提出用整流管代替传统的机械电刷以实现换流的思想。1955年美国D.Harison等人申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着现代伺服控制直流电机的诞生。70年代末、80年代初，随着电机技术及其相关学科的迅猛发展，伺服控制直流电机进入了实用阶段，先后研究成功方波和正弦波伺服控制直流电机，并且在计算机外设等领域开始应用，。“伺服控制直流电机”的概念已由最初的具有电子换向的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换向电机。80年代以来，伺服控制直流电机得到了迅猛

14、的发展和推广应用，主要是由于大功率开关器件和大规模专用集成电路技术的高速发展。性能优良的、价格低廉的电子元器件加快了伺服控制直流电机的更新换代步伐:80年代与70年代同类型伺服控制直流电机相比较，体积缩小到只有原来的1/10，价格只有原来的1/10，从而提高了伺服控制直流电机的性能价格比，为其大量应用创造了先决条件。高性能永磁材料，如影钻、钦铁翻的应用，也使伺服控制直流电机的性能提高和成本降低，为其得到广泛应用奠定了坚实的基础。它作为机电一体化的高科技产物，在各个领域得到了广泛的应用，如计算机中的磁盘、光盘驱动器、CD唱机的光盘主轴驱动、随身听的磁带主动轮驱动、数控加工设备、宇航自动机器、各种

15、记录仪和绘图仪笔的驱动等等。进入90年代以来，伺服控制直流电机伺服系统的逆变装置中的开关元件不仅成本降低，而且向高频化、大容量、小型化、智能化发展，同时，永磁材料的性能不断提高和完善，加上永磁电机研究和和开发经验的逐步成熟，稀土永磁伺服控制直流电机的应用和开发进入一个新的阶段，目前正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方向发展。如今伺服控制直流电机集特种电机、变速机构、检测元件、控制软件与硬件于一体，己形成为新一代电动伺服系统，体现着当今应用科学的许多最新成果。在国外，伺服控制直流电机己得到了较为充分的发展。目前，在工业先进的国家(如美国、英国、日本、德国等)里，在工业自动化领域中已

16、经实现了以伺服控制直流电动机代替有刷电动机的转换。伺服控制直流电机还在其它领域得到了应用，如办公自动化领域、视听领域、汽车和电动车辆中的应用、现代家用电器中的应用。而随着人们对环境问题和能源问题的日益关注，伺服控制直流电机在电动汽车中的应用更是成为近年来研究的热点，如美国福特汽车公司率先把伺服控制直流电机应用于电动汽车，并于90年代初推出了第三代电动轿车:日本四国电力株式会社设计的电动小客车PIVOT由四个单机为6.8kW 的伺服控制直流电动机驱动。针对家电(空调、洗衣机)、电动车的使用，需要较高转速和高转矩的要求，日本HONDA公司开发了一种车用的伺服控制直流电动机，其转子是用非导磁的不锈钢

17、将稀土磁体包卷嵌入转子迭片中，具有坚固可靠、输出力矩大和效率高(超过85%)的特点。在我国，伺服控制直流电机的研制始于70年代初期，作为高科技产品受到了我国基础工业落后的制约，其综合水平低于国际水平。目前，国内高校、研究单位开展伺服控制直流电机的研究己有时日，积累了丰富的设计理论和设计经验，只是由于自身条件而没有达到规模化生产，大部分仍处于仿真或实验阶段因此，应加强与生产厂家的合作，开发此类高科技产品并使之产业化。如今，随着微电子技术的迅速发展和微处理器技术的日益更新，高速微处理器和DSP的出现，还有专用的控制芯片的出现，使得伺服控制直流电动机控制系统的运行速度、处理能力提高很大。将来，随着这

18、些器件的普及和应用的扩大，器件成本将大幅度地降价，因此性能明显更优秀的正弦波电流驱动的电动机会比方波驱动的电动机更受欢迎。但是，正弦波电流驱动的电动机需要带更高精度的位置传感器，成本会更高一些，所以这些替代不是在任何场合下都适用，而是在要求高的情况下。另外，在某些要求不高的场合，无传感器的伺服控制直流电动机也得到了广泛地应用。在伺服控制直流电动机的控制技术方面，伺服控制直流电动机控制系统正由传统的模拟技术转向徽处理器控制的数字技术。数字控制技术使得许多硬件工作都由软件来完成，这样，减少了硬件电路，提高了可靠性和性能，减小了尺寸，提高了效率。数字控制技术不仅使系统获得高精度、高可靠性，还为新型控

19、制理论(如矢量控制、直接转矩控制、参数自适应控制、模糊控制、滑模变结构控制等)的应用提供了物质基础。特别是适用于实时控制的工业单片机和高速数字信号处理器(DSP)在伺服系统的应用，这大大简化了系统结构，提高了系统性能。发展全数字化的伺服系统将是以后的研究重点。1.3 本论文的主要内容 系统的总结了伺服控制直流电动机调速系统的基本结构和工作原理并分析了其运行特性。针对本系统绕组三相的特点，选择了主电路方案及功率开关元件，并选择了相应的主开关元件驱动电路及缓冲电路；确定了系统的控制方案，设计了系统的控制器、电流与位置传感器、位置与速度信号处理电路、故障自诊断与保护电路等，使系统既能良好运行，又可以

20、保证系统出现故障时及时保护功率开关元件。第2章 伺服控制直流电动机结构及工作原理直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触，造成其结构复杂、可靠性差、变化的接触电阻、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能。随着电子技术、功率元件技术和高性能的磁性材料制造技术的发展，伺服控制直流电动机利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器。因此，使这种电动机不仅保留了直流电动机的优点，而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。在宇航、军事设施领域及工业和民用领域都得到了广泛的应用。伺服控制直流电动机是伴随着数字控制技术而产生和发展起来的，因此，采用单片机为主的数字控制是伺服控制

21、直流电动机的主要控制手段之一。2.1 伺服控制直流电动机的基本组成 伺服控制直流电动机主要由电动机本体，电子换向线路，位置传感器组成。如图2.1所示： 直流电动机电动机本体位置传感器电子换向线路主转子控制器传感器定子功率变换器传感器转子主定子图2.1 伺服控制直流电动机组成方框图2.1.1 电动机本体电动机本体在结构上与永磁式同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。电动机本体的主要部件有主定子和主转子，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数(2P=2、4、)组成。它们首先必须满足电磁方面的要求，保证在工作气隙中产生足够的磁通，电枢绕组允许通过一定的电流，

22、以便产一定的电磁转矩。其次，要满足机械方面的要求，保证机械结构牢固和稳定，能传送一定的转矩，并能经受住一定环境条件的考验。此外，还要考虑节约材料、结构简单、紧凑、运行可靠和温升不超过规定的限度。 主定子是电动机本体的静止部分，它由导磁的定子铁芯、导电的电枢绕组及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成，如机壳、绝缘片、槽楔、引出线及环氧树脂等。主定子铁芯由硅钢片迭成，采用硅钢片的目的是为了减少主定子的铁损耗。为了减少噪音和寄生转矩，定子铁芯采用斜槽(一般斜一个槽距)。主定 子 绕 组是电动机本体中的一个最重要部件。当电动机接上电源后，电流流入绕组，产生磁动势，后者与转子产生的激磁

23、磁场相互作用而产生电磁转矩。当电动机旋转起来后，便在定子绕组中产生反电动势，吸收了一定电功率并通过转子输出一定的机械功率，从而实现了将电能转换成机械能的过程。显然，绕组在实现能量的转换过程中起着极为重要的作用。因此，对绕组的要求为：一方面它能通过一定的电流，产生足够的磁动势以得到足够的转矩；另一方面，要求结构简单，运行可靠，并应尽可能节省有色金属和绝缘材料。绕组一般分为集中绕组和分布绕组两种。前者工艺简单，制造方便，但因绕组集中在一起，空间利用率差，发热集中，对散热不利，此外抑制谐波能力差。后者工艺较复杂，但能克服前者的一些不足。为了更好地改善电动机的性能，一般伺服控制直流电动机多采用双层绕组

24、。伺服控制直流电动机的主定子绕组可以是两相、三相以及多相等，其连接形式主要有星形连接和封闭形连接两种，但也有特殊连接形式的，不同的电枢绕组结构决定了不同的电子换向线路。主转子是电动机本体的转动部分，是产生激磁磁场的部件。它由三部分组成:永磁体、导磁体和支撑零部件。永磁体和导磁体是产生磁场的核心，由永磁材料和导磁材料组成。伺服控制直流电动机常采用的永磁材料有以下几种:铝镍钻合金、铁氧体永磁材料以及高磁能积的稀土钻永磁材料、钦铁硼永磁材料等.导磁材料一般用10号钢或工业用电工纯铁等。机械支撑零部件主要是指转轴、轴套和压圈等，它们起固定永磁体和导磁体的作用，转轴由不导磁材料车磨而成，要求它具有一定的

25、机械强度和钢度。轴套和压圈通常山黄铜或铝等不导磁材料做成。2.1.2 位置传感器位置传感器在伺服控制直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为电子换向线路提供正确的换向信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。可见位置传感器是实现无接触换向的一个极其重要部件。因此，它是伺服控制直流电动机的一个关键部分。位置传感器和电动机本体一样，也由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和位置传感器转子。位置传感器的种类很多，且各具特点，按动作原理可分为敏感式、藕合式、谐振式和接近式。敏感式位置传感器是利用敏感元件来感受出转子的位置，并输出一信号经逻辑处理后去控制各相绕组的导通顺

26、序。常用的敏感元件有光敏元件(如光电二极管、光电三极管和光电池等)和磁敏元件(如霍尔元件、磁敏电阻、磁敏二极管和磁敏三极管等)。藕合式是指变压器祸合(即磁电式)和高频空芯线圈藕合等。谐振式是由电感、电容等元件组成，当达到谐振条件时，输出信号为最大，借此去控制电枢绕组的导通。接近式是利用接近某物而动作的原理所组成的一种位置传感器。此外，近期还出现了利用电动机定子绕组的反电动势作为转子磁钢的位置信号。该信号经检出，并经数字电路逻辑处理隔离放大后，并送给功率变换器去控制伺服控制直流电动机电枢绕组的换相。由于它省去了位置传感器，使得伺服控制直流电动机的结构更加紧凑，因而近年来的应用日趋广泛。本系统采用

27、的伺服控制直流电动机采用了霍尔传感器。2.1.3 电子换向线路电子换向线路由控制电路和功率变换器两大部分组成，它与位置传感器相配合，去控制电动机定子各相绕组通电的顺序和时间，起到了与机械换向相类似的作用。当系统运行时，功率变换器接受控制电路的控制信息，将系统工作电源的功率以一定的逻辑关系分配给伺服控制直流电动机定子上各相绕组，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。但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来驱动功率变换器的功率开关元件，往往需要经过控制电路一定逻辑处理、隔离放大后才能去驱动功率变换器的开关元件。由此可见，电子换向线路也是伺服控制直

28、流电动机实现无接触换向的一个重要组成部分。一般来说，对电子换向线路的基本要求是:(1) 线路简单，体积小，重量轻，功耗小；(2) 运行稳定可靠，故障保护功能强；(3) 能按照位置传感器的信号进行正确换向，并能控制电动机的正反转；(4) 应能满足不同环境条件的要求，长期运行。本系统采用智能功率模块（IPM），它使用表面贴装技术将三相桥臂的六个IGBT及其驱动电路、保护电路集成在一个模块内。2.2 伺服控制直流电动机的运行特性 电动机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械。因此，我们最关心的是它的转矩、转速，以及转矩和转速随输入电压、电流、负载变化而变化的规律。据此，电动机的运行特性可分为:起动

29、特性、工作特性、机械特性和调速特性。讨论各种电动机的运行特性时，一般都从电势公式(即转速公式)、电势平衡方程式、转矩公式和转矩平衡方程式出发。对于伺服控制直流电动机，其电势平衡方程式为: (2- 1)式中 电源电压(V) 电 枢绕组反电势(V) 平均电枢电流(A) 电枢绕组的平均电阻() 功率晶体管饱和管压降(V)对于不同的电枢绕组形式和换向线路形式，电枢反电势均可表示为: (2- 2)式中 电动机转速( ) 反电势系数()由方程式(2-1)、(2-2)可知 (2- 3)在转速不变时，转矩平衡方程式为: (2- 4)式中 电磁转矩() 输出转矩() 摩擦转矩()这里 (2- 5) 转矩系数()

30、.在转速变动情况下，则有 (2- 6) 式中系数 转动部分(包括电动机本体转子、传感器转子及负载)的转动惯量() 转子的机械角加速度() 下面从这些基本公式出发，来讨论伺服控制直流电动机的各种运行特性。1. 起动特性由方程(2-1). (2-5), (2-6)可知，电动机在起动时，由于反电势为零，因此电枢电流(即起动电流)为 (2- 7)其值可为正常工作电枢电流的几倍到十几倍。所以起动电磁转矩很大，电动机可以很快起动，并能带负载直接起动。随着转子的加速，反电势E增加，电磁转矩降低，加速力矩也减小，最后进入正常工作状态。 图 2.2 机械特性曲线 2.3 机械特性和调速特性机械特性是指外加电源电

31、压恒定时，电动机转速和电磁转矩之间的关系。由方程式(2-1),(2-2)和(2-3)可知 (2-8)我们知道，式(2-8)等号右边的第一项是常数(当不计U的变化和电枢反应的影响时)。所以，电磁转矩随着转速的减小而线性增加，如图2-2所示。当转速为零时，即为起动电磁转矩。当方程式(2-8)右边二项相等时，电磁转矩为零，此时的转速即为理想空载转速。实际上，由于电动机损耗中可变部分及电枢反应的影响，输出转矩稍稍偏离直线变化。又因为功率晶体管的饱和管压降随着集电极电流的变化而变化，在基极电流不变时。功率晶体管的饱和压降和集电极电流之间成正比的关系。所以，随着转速的减小，电动机的反电势也减小，电枢电流增

32、加，增大，到一定值以后，增加较快。所以机械特性曲线在接近堵转(即转速很低)时，加快下跌，如图2.2所示。 如假定外加直流电压一定，减小电机负载，转速升高，逆变器的触发频率也会提高，同时反电势增加，电流减小，电磁转矩也减小。当电磁转矩和负载转矩平衡时，电机就维持在一个较高的转速下运行。如果负载不变，提高外加直流电压，则转速升高，逆变器的频率提高，反电势增大，使电流减小，电磁转矩又呈减小趋势，这样就使电机维持在一个较高的转速下运行。由此可见，由于伺服控制直流电动机的自同步性，其调速方法与有刷直流电动机非常相似，可通过调节直流电压来实现。又从方程式(2-8)可见，改变电源电压，可以很容易地改变输出转

33、矩(在同一转速下)或(在同一负载下)，如图2-2所示。所以，在电子换向线路及其他控制线路保持不变的情况下，伺服控制直流电动机调速性能很好，可以利用改变电源电压来实现平滑的调速。这说明伺服控制直流电动机的运行特性与普通直流电动机极为相似，有着良好的控制性能。2.4 伺服控制直流电动机的脉宽调速本系统采用1200导通电压型三相逆变器，任一时刻只有两相通电，因此，伺服控制直流方波电动机的输出相电压平均值为对于每相绕组有如下电压平衡方程式： （2-9）其中 （2-10）式中: 、为电机两端的平均电压与电流；为回路的等效总电阻，它包括电机两相绕组和桥路开关管管压降等的等效电阻；电势常数。由此得出： （2

34、-11） （2-12）式（2-12）即为电动机的机械特性方程其中 空载转速 （2-13） 平均电磁转矩 （2-14）式中 转矩常数式（2-11）表明伺服控制直流方波电动机的速度公式与普通直流电动机的相同，因此，伺服控制直流方波电动机的转速可以通过改变平均电压来调节，本系统中的平均电压是通过调节PWM脉冲的占空比来实现的，此即为伺服控制直流方波电动机的脉宽调速原理。 第3章 伺服控制直流电动机的硬件设计永磁伺服控制直流电机调速系统由8051单片机控制器、功率变换电路、伺服控制直流电动机、位置及电流传感器四大部分组成。图3.1为伺服控制直流调速系统的原理结构框图。其中带有箭头的线条为信号线及其信号

35、流向。设计系统时，以电机本体为一方，控制装置为另一方，两者是密切相关、不可分割的。本章将讨论功率变换器、位置及电流传感器、控制器的工作原理和设计方法，给出上述各个部分的设计方案。3.1系统组成伺服控制直流电动机调速系统的总体结构框图如图3.1所示，基本可以分为四大部分，即电机本体、位置传感器、主回路和控制回路。(1) 机组部分:电机定子绕组三相四极星形连接，电机转子磁场为梯形波；在转轴上安装有霍尔转子位置传感器，在机座上安装有三个互差120电角度的霍尔定子位置传感器，输出三个互差1200电角度、脉宽为1800电角度的位置信号，用作系统的位置及速度检测。(2) 主回路部分: 主回路主要包括工作电

36、源、整流器、充电限流电阻R、储能滤波电容C、和智能功率模块（IPM）构成。单相交流电压经整流二极管模块整流，大电容滤波之后，送到IPM逆变。为典型的交直交电压型变频器结构。其中的整流器和IGBT逆变桥都是模块形式，目都固定在同一片散热器上，简化了电路结构。主电路通过直流斩波器以PWM方式向伺服控制直流电动机提供频率可变的矩形波形驱动电流。主回路如图3.2图3.2 伺服控制直流电动机主回路(3) 控制回路部分:主要8051单片机、检测电路、保护电路和驱动电路组成。8051是控制部分的核心，它参与整个系统的控制与管理，并用来完成速度、电流的双闭环控制，三路位置信号的逻辑处理以及输出三相六路的PWM

37、波；检测电路完成系统的位置、速度和电流的检测处理，使系统有机地运行；保护电路完成系统的过压、欠压、过流等各种故障信号自诊断与保护功能，确保系统能安全可靠地工作:驱动电路采用IGBT专用驱动模智能功率模块（IPM）。整个控制系统我们是采用以8051单片机为核心的数字控制系统。8051单片机负责电流及转速的采样，并完成控制策略的运算，然后输出控制量，以控制电机的转速。8051的控制接线图见附录图1。3.2 单片机及接口电路设计 3.2.1 AT8051的引脚及功能8051单片机的管脚说明如图32所示。图3-2 8051单片机的管脚说明 (1) 主要电源引脚 VSS 电源端 GND 接地端(2) 外

38、接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1 接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，既把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。 XTAL2 接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。(3) 输入/输出引脚 P0.0 P0.7、P10.P1.7、P2.0 P2.7 和P3.0P3.7。 P0端口（P0.0 P0.7） P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端

39、用。在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。 P1端口（P1.0 P1.7） P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。作输入口时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。 P2端口 （P2.0P2.7） P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入

40、口。P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器(如执行MOVX DPTR指令)时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX Ri , A指令)时，P2口引脚上的内容(就是专用寄存器(SFR)区中P2寄存器的内容)，在整个访问期间不会改变。 P3端口（P3.0P3.7） P3 是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电

41、阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在AT8051中，P3端口还用于一些专门功能，这些兼用功能如下：(1) P3.0 RXD（串行输入口）(2) P3.1 TXD（串行输出口）(3) P3.2 /INT0（外部中断0）(4) P3.3 /INT1（外部中断1）(5) P3.4 T0（记时器0外部输入）(6) P3.5 T1（记时器1外部输入）(7) P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）(8) P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）(9) P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号3振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡

42、器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合， ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。3.3 电动机PWM的设计电动机PWM驱动模块的电路设计与实现具体电路见下图二。本电路采用的是基于PWM原理的H型桥式驱动电路。图二PWM电路由四个大功率晶体管组成H型桥式电路构成，四部分晶体管以对角

43、组合分为两组：根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用。4个电感在电路中是起防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用。 在实验中的控制系统电压统一为5v电源，因此若达林顿管基极由控制系统直接控制，则控制电压最高为5V，再加上三极管本身压降，加到电动机两端的电压就只有4V左右，严重减弱了电动机的驱动力。基于上述考虑，我们运用了4N25光耦集成块，将控制部分与电动机的驱动部分隔离开来。输入端各通过一个三极管增大光耦的驱动电流；电动机驱动部分通过外接12V电源驱动。这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度，也使驱动电流得到了大大的增强

44、。 在电动机驱动信号方面，我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带带负载能力差脉冲频率低则反之。经实验发现，脉冲频率在40Hz以上，电动机转动平稳，但加负载后，速度下降明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在10Hz以下，电动机转动有明显跳动现象。实验证明，脉冲频率在15Hz-30Hz时效果最佳。而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。通过N1输入信号，N2输入低电平与N1输入低电平，N2输入信号分别实现电动机的正转与反转功能。通过对信号占空比的调整来对车速进行调节。速度分7档控制，从高电平（第6档）到低电平（第0档）中间占空比以20%

45、逐极递减。速度微调方面，可以通过对占空比以1%的跨度逐增或逐减分别实现对速度的逐加或逐减。3.4电动机换相3.4.1电动机的换相原理本系统利用转子位置传感器信号Sa、Sb、Sc控制三相绕组的通电顺序，三相绕组供电与否由功率变换器的开关管IGBT的导通与关断确定，而IGBT的通断顺序不仅和转子位置有关，还与电机的运行状态有关。本系统的定子绕组工作在两相导通三相六拍运行状态。在此换相方式下，不难给出本系统的转子位置信号、三相绕组相电流以及控制芯片内PWM电路六路换向控制输出信号的波形图。电机绕组电流的换相时刻是转子磁极位置确定的，可以把位置传感器编码结果与功率变换器的开关导通顺一一 对应起来，当S

46、aSbSc=101时，T1,T 6相导通，A,B相通电；当SaSbSc=100时，T1, T2导通，A, C相通电，完成换相，如此往复，电机就能运转起来。为了更清晰地说明问题，特将转子位置编码、功率变换器开关管导通状态列成一个换相表，见表3.1。表3.1 三相全波换相表（正转）节拍位置编码SaSbSc导通管子 PWM电路管脚输出状态PWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM60101T6，T1通断断PWM断断1100T1，T2通断断断断PWM2110T2，T3断断通断断PWM3010T3，T4断PWM通断断断4011T4，T5断PWM断断通断5001T5，T6断断断PWM通断 如表4.1，

47、每个节拍对应转子位置600电度角，不同的节拍对应不同的PWM电路输出状态。表中“通”表示PWM电路的有关管脚输出为低电平，因本系统的换相控制信号为低电平有效，故与本管脚相对应的开关管导通；“断”表示管脚相对应的开关管截止；“PWM”表示在管脚上出现PWM波形。本系统中8051根据来自捕获管脚的三个转子位置信号Sa,Sb ,Sc 的编码，并通过PWM电路送出其管脚电平状态，就可以实现伺服控制直流电动机的定子绕组电流的换相。3.4.2 电动机的可逆换相所谓电机的可逆换向控制就是电机的正反转控制。在一般的直流电动机运行过程中，只要改变磁场方向或改变电枢电压的极性，均可改变其转向。但这些方法在伺服控制

48、直流电动机中行不通。因为伺服控制直流电动机的磁通量由永久磁钢产生，无法改变方向；又由于功率开关元件的单向导电性，电源电压(指直流侧电压)反接很不方便，因此在这种情况下，一般都通过控制定子绕组的换相次序来改变其转动方向。显然电机反转时位置传感器三路位置信号Sa,Sb,Sc的编码顺序与电机正转时会有所不同。 表3.2 三相全波换相表（反转）节拍位置编码SaSbSc导通管子 PWM电路管脚输出状态PWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM60110T6，T5断断断PWM通断1100T5，T4断PWM断断通断2101T4，T3断PWM通断断断3001T3，T2断断通断断PWM4011T4，T1通断

49、断断断PWM5010T1，T6通断断PWM断断 不难看出，要想改变定子绕组的换相次序，只需更换一下换向控制表，如表3.2所示。这样一来，采用表3.1来控制换相，电动机就正转，而按表3.2来控制换相，则电动机就反转，非常方便。3.5转速环及电流环电路的设计3.5.1位置传感器 伺服控制直流电动机调速系统要实现在特定的转子位置导通电机相绕组以及转速的闭环控制，位置传感器显然是一个不可缺少的重要组成部分。它的主要作用有两个:一是检测电机定、转子的相对位置并提供电机相绕组的换相信号:二是与控制器一起构成转速的反馈环节。设计位置传感器应以可靠、精确、体积小、寿命长、价格适中以及安装方便为标准。目前，伺服

50、控制直流电动机调速系统的位置传感器多为光电式和霍尔元件式。也有少数用正余弦旋转变压器和光电编码器等位置传感器的，但这些元件成本较高、体积较大、所配线路复杂，因而只用在高精度的驱动伺服系统中，在一般伺服控制直流电动机中很少采用。此外，通过检测定子绕组的反电动势作为转子磁钢的位置信号的无位置传感器方案，由于其具有无换向火花、无无线电干扰、寿命长、运行可靠、维护方便等优点，而且不必为一般伺服控制直流电动机所必需的位置传感器带来的对体积、成本、制造工艺的较高要求和抗干扰性差的问题而担忧，因而是伺服控制直流电动机调速系统中极具吸引力的研究课题之一。但目前的无位置传感器方案使系统的控制比较复杂、成本高，加

51、之研究仍处于不成熟阶段，故在一般应用中，伺服控制直流电动机系统仍配置位置传感器。光电式位置传感器具有定位精度高、价格便宜、易加工等特点，但对恶劣环境的适应能力较差，输出信号沿需加以整形电路处理。霍尔元件式位置传感器对环境适应能力较强，输出信号沿好，无需处理电路，但永磁块价格较高，加工不易，且各永磁块间的磁性不均匀。本系统采用了霍尔元件式位置传感器。霍尔元件是利用在霍尔效应产生电压输出的元件，它产生的电动势很低，在应用时往往要外接放大器，很不方便。随着半导体集成技术的发展，将霍尔元件。半导体集成电路一起制作在同一块硅芯片上，这就构成了霍尔集成电路。它与一般的小型三极管相似，应用起来非常方便。霍尔

52、集成电路它是由稳压器、霍尔电压发生器、信号放大器、施密特触发器和输出驱动器组成的。霍尔集成电路有线性型和开关型两种。一般而言，伺服控制直流电动机的位置传感器宜选用开关型的位置传感器，其开关特性曲线如图3.5所示： 图3.5 霍尔传感器的开关特性霍尔元件式位置传感器由静止部分和转动部分两部分组成。静止部分由一组霍尔元件及永磁块组成，固定在电机机座上；转动部分为一个开有齿、槽的遮挡盘(其赤、槽数分别与电机转子极对数相等)固定在电机转轴上，随转子同步旋转。通过遮挡盘的齿部的遮挡与不遮挡，使霍尔元件产生高、低电平信号(注意单OC输出霍尔集成电路的输出应接上拉电阻)，从而提供了伺服控制直流电动机的转子位

53、置信息。对于m相2p极伺服控制直流电动机来说，其位置传感器静止部分上的传感元件数一般与绕组相等，也可能比绕组相数少一半(m为偶数时)。在静止部分的圆周空间上，相邻的传感元件之间的机械夹角为： （4-1）式中，m为电机绕组相数(m3)；p为电机极对数。m个传感元件在空间对称分布，其中第k个传感元件与第k相绕组平面之间的机械夹角为: (4-2) 本文以研制的三相四极永磁方波伺服控制直流电动机系统样机为例，介绍所设计的位置传感器。Sa, Sb, Sc:当电机转轴逆时针移动时，遮挡盘的齿部进入霍尔传感器定子内，此时由于永磁块的磁力块的磁力线被齿部所短路，磁力线不穿越霍为元件，霍尔元件输出为“1”（高电

54、平）；当齿部离开时，磁力线穿越霍尔儿件，霍尔元件输出为“O”(低电平)。这样，根据这三个霍尔元件的输出状态Sa、 Sb、 Sc，就可以准确地确定转子的磁极位置。例如，齿部准备进入Sa时，Sa, Sb, Sc的输出为001，随电机旋转，齿部进入Sa，则Sa, Sb, Sc的输出为101，再转动，Sa, Sb, Sc的输出变为100，如此反复，转子位置编码如下: Sa, Sb, Sc的波形图见图3.6。 图3.6 位置传感器输出示意图从图3.6可以得出以下结果:(1)Sa,Sb,Sc的输出波形为三个相位互差1200电角度、脉宽为1800电角度的矩形波；(2)在空间3600(机械角度)范围内，不论转

55、子位置在哪里，都有个状态编码与之对应；(3)每一个编码都持续300机械角度，即600电角度。3.5.2 转速环的设计为了提高电动机的调速性能，如调速精度、稳定性和快速性，均需采用转速闭环控制，从而需要检测电机的转速。测量电动机转速的方法有许多种，如测速发电机测速、光电测速、霍尔测速等，由于多数伺服控制直流电动机的容量都较小，一般不宜在其转轴上安装如测速发电机等附加的测速装置。本文针对伺服控制直流电动机带有转子位置传感器这一特点，直接用位置传感器作为速度传感器。下面介绍沿脉冲生成电路，并利用沿脉冲信号进行速度反馈。在伺服控制直流电动机运行时，位置信号每次跳变都对应着一个换相时刻，可以利用一个沿脉

56、冲生成电路，把位置信号的上升沿和下降沿都转化成具有上跳沿的窄脉冲，此电路输入输出信号的关系如图3.7所示，实现电路如图3.8所示。图3.7 沿生成电路输入输出信号其中脉冲的宽度由单稳态触发器的的RC延迟网络决定，其延迟时间与RC参数的关系如下： 这个脉冲的宽度不能大于最高转速时位置信号的宽度，否则在最高转速时每一个周期将会漏掉一个换相时刻，这将使电机运行于一种不稳定的状态，位置信号的沿脉冲经过一个频压转换电路，其输出的是模拟电压，其大小与电动机的转速有关，这就得到了转速反馈信号，送单片机的模/数转换端，根据捕获的的数据可以求出电机的转速。本系统采用美国Analog Devices公司的AD65

57、0V/F(F/V)变换器作为频压转换器。这样，通过软件和给定值相比较，就可以控制PWM波形的宽度，从而达到控制转速的目的。从沿脉冲出来的三个信号，经过一个三输入或门，其输出信号相当于三个位置信号的沿脉冲的叠加，然后送单片机的EXT引脚，软件通过检测EXT引脚的外部中断信号，在有的同时，检测位置信号是哪个位置信号，从而可以根据位置传感器的信号控制IGBT的导通与关断，给伺服控制直流电动机供电。这样利用位置传感器信号，既产生了位置信号，也生成了速度反馈信号。3.5.3 电流传感器及电流环的设计为了提高伺服控制直流电动机的加速性能以及减少转矩脉动，有必要引入电流闭环控制，从而需要检测电机绕组的电流。

58、此外，电机运行出现短路、接地、过载等故障时，可能会产生电流超出IGBT允许值范围的情况，因而必须及时、准确地测量电机故障电流，以保护开关元件，排除故障。基于以上两点，伺服控制直流电动机调速系统对电流传感器提出了如下要求：(1) 电流传感器和系统强电部分应有足够的电隔离；(2) 在整个运行范围内具有良好的线性度，高稳定性和重复性；(3) 能承受电气、机械超载及伴生的故障电流；(4) 快速性能好，从电流检测到控制主开关元件的动作延时应尽量短。目前，电流传感器所用的传感元件有精密取样电阻，磁敏电阻和霍尔元件。其中霍尔电流传感器是利用霍尔原理制成的检测电流装置。它突出的特点是在整个工作区域内输出特性是

59、线性的，功耗小，重量轻，温度稳定性好，测量频带宽，能测量各种波形的电流，而且电隔离，输出为电压信号或电流信号，精度普遍较高，因而使用极为方便可靠，是理想的电流传感器本系统采用的是霍尔电流传感器，其原边串联定子绕组中。它的输出信号经过隔离放大，送控制器的A/D，作为电流反馈采样信号，由于8051的A/D脚需要输入直流侧的电流进行A/D转换，所以我们可以把霍尔电流传感器的输出信号直接送控制器的A/D端，这样就构成了电流反馈环。3.6 系统保护环节的设计随着永磁伺服控制直流电动机调速系统研究的不断深入，系统保护环节的合理设计成为非常重要的内容之一。一个调速系统能否正常工作，除了各坏节能保证正常工作外，还要考虑一些外在干扰因素对系统的影响，系统应具有自我保护功能。完善的保护环节，不仅可以延长装置的使用寿命，也使其可靠性大为提高。一个