有限转角直流力矩电机位置伺服驱动器设计
《2024年基于dsPIC30F4011的无刷直流电机伺服驱动器设计》范文
《基于dsPIC30F4011的无刷直流电机伺服驱动器设计》篇一一、引言随着工业自动化程度的不断提高，无刷直流电机因其高效、可靠、长寿命等特点被广泛应用在各个领域。
为满足高性能的应用需求，一个有效的无刷直流电机控制技术是不可或缺的。
本设计采用基于dsPIC30F4011的无刷直流电机伺服驱动器，具有高效能、低成本及优秀的性能优势。
本文旨在探讨如何根据无刷直流电机的基本原理，通过合理的电路设计和dsPIC30F4011微控制器的运用，实现对无刷直流电机的精确控制。
二、无刷直流电机基本原理无刷直流电机（BLDC）是一种采用电子换向技术代替传统机械换向的直流电机。
它具有效率高、结构简单、噪音小、维护成本低等优点。
通过采用三个方向的磁场进行电枢，实现对电机转向的自动调节，大大提高了电机的运行效率和使用寿命。
三、dsPIC30F4011微控制器介绍dsPIC30F4011是一款高性能的数字信号控制器，它集成了丰富的功能模块和强大的计算能力，能够实现对无刷直流电机的精确控制。
它具有高精度PWM控制模块，能够产生多路、多频的PWM信号，从而实现对电机转向和速度的精确控制。
此外，它还具有丰富的通信接口和可编程功能，方便实现与外部设备的通信和控制系统。
四、基于dsPIC30F4011的无刷直流电机伺服驱动器设计本设计采用基于dsPIC30F4011的伺服驱动器作为无刷直流电机的驱动器，主要由以下部分组成：电源电路、控制电路、驱动电路和反馈电路。
（一）电源电路设计电源电路负责将输入的电压转化为适合驱动电机的电压和电流。
考虑到系统的稳定性及安全运行，我们采用了高效的DC-DC 转换器，将输入的电压稳定地转换为适合电机的电压和电流。
（二）控制电路设计控制电路是整个系统的核心部分，它负责接收外部指令并产生相应的PWM信号来控制电机的运行。
本设计采用dsPIC30F4011微控制器作为主控制器，通过其强大的计算能力和丰富的功能模块实现对电机的精确控制。
《2024年基于dsPIC30F4011的无刷直流电机伺服驱动器设计》范文
《基于dsPIC30F4011的无刷直流电机伺服驱动器设计》篇一一、引言无刷直流电机（BLDC）作为一种高性能、高效率的电机类型，广泛应用于工业控制、伺服系统等领域。
而dsPIC30F4011微控制器因其卓越的数字信号处理能力及高性能特点，使其成为设计伺服驱动器的理想选择。
本文旨在介绍一种基于dsPIC30F4011的无刷直流电机伺服驱动器的设计方案。
二、系统架构与硬件设计（一）系统架构本设计以dsPIC30F4011为核心，辅以霍尔传感器、电源电路、驱动电路、散热模块等组成无刷直流电机伺服驱动器系统。
（二）硬件设计1. dsPIC30F4011微控制器：作为系统的核心，负责接收指令、处理数据并控制电机运行。
2. 霍尔传感器：用于检测电机转子的位置，为dsPIC30F4011提供电机转子的实时位置信息。
3. 电源电路：为系统提供稳定的电源，包括电机驱动电源和微控制器工作电源。
4. 驱动电路：根据dsPIC30F4011的指令，控制电机驱动器的开关，实现对电机的控制。
5. 散热模块：确保系统在长时间工作过程中保持稳定，防止因过热导致的系统故障。
三、软件设计与算法实现（一）软件设计本设计采用模块化设计思想，将软件分为初始化模块、控制算法模块、通信模块等。
初始化模块负责系统启动时的初始化设置；控制算法模块根据电机转子的位置信息及速度要求，计算电机的控制指令；通信模块负责与上位机的通信，接收上位机发送的指令。
（二）算法实现1. 转子位置检测算法：通过霍尔传感器检测电机转子的位置信息，为dsPIC30F4011提供精确的位置反馈。
2. 控制算法：采用先进的PID控制算法，根据电机转子的位置信息及速度要求，实时调整电机的控制指令，实现对电机的精确控制。
3. 通信协议：与上位机采用标准的串口通信协议进行通信，确保指令的准确传输。
四、性能测试与优化（一）性能测试本设计在完成硬件和软件设计后，进行了严格的性能测试。
直流伺服电机课程设计
目录绪论 (3)1 直流伺服电机的基本结构和工作过程 (3)1.1直流伺服电机的基本结构 (4)1.1.1 直流伺服电机的介绍 (4)1.1.2 直流伺服电机的结构 (4)1.2 直流伺服电机的工作过程 (5)1.2.1 直流伺服电机的工作原理 (5)1.2.2 直流伺服电机的工作特性 (6)2 直流伺服电机的控制方式 (7)2.1 电枢控制 (7)2.2 磁场控制 (8)2.3 总结 (8)3直流伺服电机控制系统 (9)3.1总体设计方案 (9)3.2 硬件电路设计 (10)3.2.1硬件组成 (10)3.2.2主要器件功能介绍 (10)3.2.2.1 直流伺服电机选取 (10)3.2.2.2 PWM简介及调速原理 (12)3.2.3 电路组成 (14)3.2.3.1 晶振电路 (14)3.2.3.2 复位电路 (14)3.2.3.3 单相桥式整流电路 (14)3.3 系统软件设计 (15)3.3.1 系统简介及原理 (15)3.3.2 系统设计原理 (16)3.3.3 系统流程图 (17)总结 (17)参考文献 (18)附录 (19)附录1单片机原理图 (19) (20)绪论设计内容设计一个以单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统。
单片机是应控制领域应用的要求而出现的，随着单片机的迅速发展，起应用领域越来越广。
尽管目前已经发展众多种类的单片机，但是应用较广、也是最成熟的还是最早有Intel开发的MCS-51系列单片机（51系列单片机）。
51系列单片机应用系统已经成为目前主流的单片机应用系统。
直流电机脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation—简称PWM）调速产生于20世纪70年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜，自动记录仪表等的驱动，后来用于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，PWM技术得到了高速发展，各式各样的脉宽调速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也都有了PWM输出功能。
《基于dsPIC30F4011的无刷直流电机伺服驱动器设计》范文
《基于dsPIC30F4011的无刷直流电机伺服驱动器设计》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，无刷直流电机（BLDCM）因其高效、低噪音、长寿命等优点，在各种自动化设备中得到了广泛应用。
为了更好地控制无刷直流电机，设计一款高性能的伺服驱动器显得尤为重要。
本文将详细介绍基于dsPIC30F4011的无刷直流电机伺服驱动器设计，从硬件设计、软件控制算法以及系统测试等方面进行全面分析。
二、硬件设计2.1 核心控制器本设计选用dsPIC30F4011作为核心控制器。
dsPIC30F4011是一款高性能的数字信号控制器，具有强大的运算能力和丰富的接口资源，适用于无刷直流电机的控制。
2.2 功率驱动电路功率驱动电路是无刷直流电机伺服驱动器的关键部分。
本设计采用H桥电路作为功率驱动电路，通过控制H桥的通断，实现电机的正反转和调速。
同时，为了保护电机和驱动器，还设计了过流、过压、欠压等保护电路。
2.3 传感器接口为了实现电机的精确控制，本设计还包含了传感器接口电路。
通过采集电机的位置、速度等信息，实现电机的闭环控制。
三、软件控制算法3.1 算法选择与优化为了实现电机的平稳启动、精确调速和快速响应，本设计采用了空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法。
通过优化SVPWM算法，提高电机的运行效率和降低噪音。
3.2 电机控制策略本设计采用无传感器控制策略，通过捕获电机的反电动势过零点来判断电机的位置和速度。
同时，结合PID控制算法，实现电机的精确控制。
四、系统测试与分析4.1 测试环境与条件在完成硬件设计和软件编程后，我们对无刷直流电机伺服驱动器进行了系统测试。
测试环境为室内恒温环境，测试条件包括不同负载、不同速度等。
4.2 测试结果与分析经过测试，本设计的无刷直流电机伺服驱动器在各种工况下均表现出良好的性能。
在启动阶段，电机能够平稳启动，无抖动现象；在调速过程中，电机能够快速响应，实现精确调速；在长时间运行过程中，电机表现出较低的噪音和较高的运行效率。
一种直流力矩电机伺服驱动器的设计与研究
一种直流力矩电机伺服驱动器的设计与研究基于一种车载光电跟踪伺服系统的工程应用，文章介绍了基于直流力矩电机伺服驱动器的组成与设计实现，针对直流伺服电机驱动器小型化、模块化的需求，重点阐述了驱动器的工作原理与设计，系统论述了电流和速度环路的设计与调节，试验结果表明：该系统转速电流可调且具有过流保护功能，有着较强的快速响应性和抗扰性，有一定的工程应用价值。
标签：伺服系统；直流力矩电机；电机驱动器；转速调节；电流调节Abstract：Based on the engineering application of a vehicle photoelectric tracking servo system，this paper introduces the composition and design of servo driver based on DC （direct current）torque motor，aiming at the demand of miniaturization and modularization of DC servo motor driver. The working principle and design of the driver are described in detail. The design and regulation of the current and speed loop are discussed systematically. The experimental results show that the speed and current of the system can be adjusted and have the function of over-current protection. It has strong fast response and immunity，and has certain engineering application value.Keywords：servo system；DC （direct current）torque motor；motor driver；speed regulation；current regulation引言伺服系统广泛应用于工业和军事领域，一般多以电动机作为执行机构。
直流电机位置伺服控制
拉氏变换定义
假设f(t)是时间t的函数，且f(t)=0，t<0。则函数f(t)的 拉氏变换F(s)定义为：
L f (t ) F ( s ) 0 f (t )e st dt
式中，s是复变量。 从拉氏变换F(s)获得函数f(t)的逆过程称为拉氏逆变换。 1 c j 1 st L [ F ( s )] f (t ) F ( s ) e ds t0 c j 2j 其中，c是一个大于F(s)所有奇异点实数部分的实常数。
d L [ dt f ( t )] sF ( s ) f (0 )
d2 (0) L[ 2 f (t )] s 2 F ( s ) sf (0) f dt F ( s) 1 L[ f (t )dt ] [ f (t )dt ] t 0 s s F ( s) n 1 n L[ f (t )(dt ) ] n n k 1 [ f (t )(dt ) k ] s k 1 s t 0 t F ( s) L[ 0 f (t )dt ] s
感应电动势方程 E( t ) K en( t ) K'e ( t )
TM ( t ) J d ( t ) B( t ) TL ( t ) dt
— 等效在电动机轴上粘性阻尼系数
dia ( t ) U ( t ) Raia ( t ) La E( t ) dt
U( s )
1 / K' e TT T TaTm s 2 ( a m Tm )s ( m 1 ) T T
直流电动机为二阶惯性系统
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2.5 机电传动系统的过渡过程
标准二阶系统
2 C( s ) n 2 G( s ) R( s ) s 2n s 2 n
一种直流伺服电机驱动器的设计
一、DSC简介
数字信号控制器（DSC）是一种专为电机控制而设计的控制器，具有处理速度 快、精度高、可靠性强等优点。DSC能够实现对电机的精确控制，包括速度、 位置、扭矩等参数，是实现无刷直流伺服电机驱动器设计的重要工具。
二、无刷直流伺服电机驱动器设 计
1、硬件设计
基于DSC的无刷直流伺服电机驱动器硬件设计主要包括功率电路、控制电路和 传感器电路三部分。其中，功率电路负责将DSC输出的数字信号转换为能够驱 动电机的电压和电流；控制电路则负责对电机的速度、位置等进行实时监测和 控制；传感器电路则负责采集电机的运行状态信息，为控制电路提供反馈。
设计理念
直流伺服电机驱动器的设计理念主要包括高性能、高可靠性、低成本和低功耗。 为了满足这些要求，我们在设计过程中采用了以下策略：选用高性能的元器件， 提高电路的集成度，优化散热设计，以及采用低功耗的芯片和器件。
技术方案
本次演示所介绍的直流伺服电机驱动器基于脉宽调制（PWM）技术，采用智能 功率模块（IPM）作为功率器件。PWM技术可以精确控制电机的转速和位置， 同时IPM具有高可靠性和高集成度，能够满足高性能驱动的要求。
2、软件设计
软件设计是无刷直流伺服电机驱动器设计的核心部分，主要包括电机控制算法 和通信接口两部分。其中，电机控制算法是实现电机精确控制的关键，包括 PID控制、模糊控制等；通信接口则负责与上位机进行数据交换，实现远程控 制和监测。
三、无刷直流伺服电机驱动器研 究
1、性能研究
通过对无刷直流伺服电机驱动器的性能进行测试和分析，可以了解其响应速度、 控制精度、负载能力等方面的性能表现。通过对比不同设计方案和参数调整， 可以找到最优化的设计方案，提高电机的性能、效率及可靠性。
在原理图设计方面，我们采用了先进的PWM控制器和IPM模块，同时加入了电 流和电压采样电路，以便实时监测电机运行状态。此外，我们还设计了驱动电 路和保护电路，以确保电机在异常情况下能够得到有效保护。
LMD18200T的直流伺服电动机驱动器的设计
方式 ｌＰ ： ＷＭ 信 号中既包 含方 向信息又包 含
幅值 信 息 ，ＷＭ 信 号 从 ３脚 输 入 ， 脚 接至 逻 辑 高 Ｐ ５ 电平 。０ ５ ％占空 比 Ｐ ＷＭ 信 号对 应 于零驱 动 ， 均 负 平 载 电流 为零 。 于 ５ ％占空 比 Ｐ 大 ０ ＷＭ 信 号对应 于 正
Ｖｓ Ｏ Ｒ Ｓ Ｐ Ｌ 和 ＧＲ ＵＮ ＮＧ 直 流 电 ＷＥ Ｕ Ｐ Ｙ Ｐ Ｏ ＤＩ
Ｂ ＯＴ Ｔ Ａ １和 Ｂ Ｏ Ｓ Ｏ ＳＲ Ｐ Ｏ Ｔ
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自举 电容输 入 端 。推 荐用 ２个 ｌ Ｆ的 电容 器 分别 ０ｎ
接 于 ｌ２脚 和 ｌ、２脚 之 间 ， 使栅 压 上 升 时 间 在 、 ｌｌ １０ｎ ０ ｓ以下 ， 样 允许 的开关 工 作频 率 达 ５０ｋ 。 这 ０ Ｈｚ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｅ ｒ ａ ｉ ｇ ｏ ｏ ｕ ｎ ｒ ｖ ｎ ｆｒ ｌ ｂ ｌ ｙ ｏ ｅ ｖ ｙ ｔｍ ｓ ａ ｓ ｌ ｔ ｎ ｏ ｓ ｒ ｃ ：Ｉ ｒ ｅ ｄ ｃ ｅ ｓｎ ｆｖ ｌ ｍｅ ａ ｄ ｉ ｏ ｍｐ ｏ ｉ ｇ ｏ ｉ ｉ ｔ ｆｓ ｒ ｏ ｓ ｓｅ ， ｏ ｕ ｉ ｆ ｅａ ｉ ｏ ＤＣ ｓ ｒ ｏ ｍｏ ｏ ｒ ｅ ａ ｅ ｎ ＬＭ Ｄ ２ ０ ｓ ｄ ｓｇ ｅ ｎ ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ Ｃｏ ａ ｅ ｏ ｄ ｉ ｅ ａ ｅ ｎ ｅ ｖ ｔ ｒｄ ｉ ｒ ｂ ｓ ｄ ｏ ｖ １ ０ Ｔ ｉ ｅ ｉｎ ｄ ｉ ｈ ｓ ａ ｅ ． ｍｐ ｒ ｄ ｔ ｒｖ ｒ ｂ ｓ ｄ ｏ ８ ｄ ｓ ｒ ｔ ｅ ｉｏ ｄ ｃ ｏ ｓ ｔ ｅ ｓ ｌ ｔ ｎ ｓｍｐ ｉ ｅ ｈ ｔ ｃｕ ｅ ｏ ｉ ｕ ｔ ， ｄ ｉ ｏ ｎ ｐ ｏ ｅ ｅ ｒ — ｉｃ ｅ ｅ ｓ ｍ ｃ ｎ ｕ ｔ ｒ ， ｈ ｏ ｕ ｉ ｉ ｌ ｓｔ ｅ ｓｒ ｔ ｒ ｆｃｒ ｉ ｉ ａ ｄ ｔ ｎ ａ ｄ ｉ ｒ ｖ ｓ ｈ ｅ ｏ ｉ ｆ ｕ ｃ ｓｎ ｉ ｍ ｔ
有限转角直流力矩电机位置伺服驱动器设计
(Department of Automotive Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China) ABSTRACT: The app lication of DC lim ited angle torque motor on natural gas engine has been dis2 cussed at the beginning of the paper. The position servo driver is an important component of the digital speed governor system utilized on natural gas engine and it is always technical monopoly of som e foreign companies. The PWM servo driver based on a digital controllerMC9S12 p roduced by Freescale has been designed w ith position and current feedback. The driver realizes classic three2loop control m ethod inclu2 ding position loop , speed loop and current loop P ID computation by making full use of em bedded re2 sources ofMCU. The p recision of this system was p roved by experiments and itπs easy to regulate parame2 ters w ith simp le structure and stabile performance. The experiments data are listed at the end. KEY WO RD S: L im ited angle; DC torque motor; Servo driver; Three2loop control; Experiment
一种有限转角力矩电机的设计方法
一种有限转角力矩电机的设计方法
刘华源;王自强;杨帆
【期刊名称】《微电机》
【年(卷),期】2013(046)001
【摘要】研究用于扫描驱动系统的一种永磁有限转角力矩电机的设计方法.以经典磁路计算方法,推导出反电势、电磁转矩、电枢电感等电机参数的计算公式.研究结果表明在电机工作角度范围内反电势为平顶波,并与电机转速成正比,以及平均力矩与电流成正比,并得出电机物理尺寸、材料性质与以上各参数的相关性.用Maxwell2D软件进行有限元建模仿真分析,验证设计计算公式的正确性.该有限转角力矩电机功率密度较高,体积小,可靠性高;并且工作特性接近直流电机,控制方式简单.
【总页数】5页(P17-20,66)
【作者】刘华源;王自强;杨帆
【作者单位】北京航空航天大学自动化科学及电气工程学院,北京100191;北京航空航天大学自动化科学及电气工程学院,北京100191;昆明物理所,昆明650223【正文语种】中文
【中图分类】TM359.6;TM351
【相关文献】
1.有限转角无刷力矩电机设计方法研究 [J], 刘卫国;马瑞卿
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4.大角位移有限转角力矩电机辅助齿的设计与优化 [J], 刘有恩;刘勇;葛红岩;崔浪浪
5.船舶柴油机调速器有限转角力矩电机优化控制 [J], 周力;唐庆;谭慧萍;周探洲;王欣;王宇松;陈辉
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《基于dsPIC30F4011的无刷直流电机伺服驱动器设计》范文
《基于dsPIC30F4011的无刷直流电机伺服驱动器设计》篇一一、引言随着工业自动化与机器人技术的不断发展，对伺服驱动器的需求愈发迫切。
无刷直流电机以其高效率、长寿命和低噪音等优点，广泛应用于各种高精度和高性能的自动化设备中。
dsPIC30F4011微控制器因其强大的计算能力和灵活的编程能力，在电机控制领域有着广泛的应用。
本文旨在介绍一种基于dsPIC30F4011的无刷直流电机伺服驱动器的设计方案。
二、系统总体设计（一）设计要求系统设计的主要目标是实现无刷直流电机的精确控制，包括速度控制、位置控制和转矩控制等。
同时，系统应具备高可靠性、低噪音、低功耗等特点。
（二）硬件组成系统硬件主要包括dsPIC30F4011微控制器、无刷直流电机、功率驱动模块、传感器模块等部分。
其中，dsPIC30F4011微控制器作为核心控制单元，负责电机的控制策略实现；无刷直流电机为执行单元，负责将电能转换为机械能；功率驱动模块负责电机的驱动和保护；传感器模块则负责采集电机的运行状态信息。
三、dsPIC30F4011微控制器应用（一）控制器特点dsPIC30F4011微控制器是一款高性能的数字信号控制器，具有强大的计算能力和灵活的编程能力。
其内置的PWM模块和ADC模块，使得电机控制变得更加简单和高效。
此外，dsPIC30F4011还具有丰富的外设接口和强大的故障诊断能力，使得系统更加可靠和稳定。
（二）控制策略实现在无刷直流电机的控制中，主要采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）策略。
dsPIC30F4011微控制器通过采集电机的电流、电压和转速等信号，根据控制算法计算出PWM波的占空比，从而实现对电机的精确控制。
同时，通过ADC模块实时监测电机的运行状态，一旦发现异常情况，立即启动保护措施，保证系统的安全运行。
四、功率驱动模块设计功率驱动模块是无刷直流电机伺服驱动器的关键部分，其主要作用是将微控制器的控制信号转换为电机的驱动信号。
力矩伺服电机设计方法
力矩伺服电机设计方法力矩伺服电机是一种高精度的驱动设备，广泛应用于各种工业自动化和机器人等领域。
它具有高扭矩、高精度和高响应速度等优点，能够实现精确的位置控制和速度控制。
一、设计要求在设计力矩伺服电机时，需要考虑以下要求：1. 输出扭矩：根据应用需求，确定电机的输出扭矩。
一般来说，力矩伺服电机的输出扭矩范围为几牛米到几百牛米。
2. 响应速度：根据控制系统的要求，确定电机的响应速度。
力矩伺服电机的响应速度一般可以达到几十毫秒到几百毫秒。
3. 精度：力矩伺服电机具有高精度位置控制和速度控制的能力，需要根据应用需求确定电机的控制精度。
4. 可靠性：力矩伺服电机需要在各种环境下稳定运行，因此需要选择高质量的电机和控制系统，并采取措施提高系统的可靠性。
5. 成本：在满足性能要求的前提下，需要选择价格合理的电机和控制系统，以降低整个系统的成本。
二、设计步骤1. 确定设计需求：根据实际应用需求，确定电机的输出扭矩、响应速度、精度、可靠性和成本等方面的要求。
2. 选择电机类型：根据设计需求，选择合适的电机类型。
常用的力矩伺服电机类型包括直流力矩电机、交流力矩电机和步进力矩电机等。
3. 确定电机尺寸：根据应用需求和成本要求，确定电机的尺寸和重量。
一般来说，较大的电机可以提供更高的输出扭矩，但也会增加电机的重量和成本。
4. 选择控制系统：根据应用需求和成本要求，选择合适的控制系统。
常用的控制系统包括PID控制器、模糊控制器和神经网络控制器等。
5. 确定控制算法：根据控制系统的要求，选择合适的控制算法。
常用的控制算法包括电流控制、速度控制和位置控制等。
6. 建模与仿真：利用MATLAB等仿真软件建立电机的数学模型，并进行仿真实验，以验证电机的性能是否满足设计要求。
7. 制造与测试：根据仿真结果对电机进行制造和测试。
测试内容包括电机的输出扭矩、响应速度、精度和可靠性等方面。
8. 优化与改进：根据测试结果对电机和控制系统的性能进行优化和改进，以提高整个系统的性能和可靠性。
直流电机位置伺服系统驱动器设计
直流电机位置伺服系统驱动器设计摘要：介绍了两个以AT89S51芯片为核心的智能自动小车设计。
第一个方案采用H桥电路，通过红外光电传感器对地面状态进行判断并把信号传送到CPU进行相关运算。
整个系统能完成小车的正向和反向运行，并有定时倒车等功能。
第二个方案设计的光电电动小车能够实时显示时间、速度、里程，可程控行驶速度、准确定位停车等。
关键词：单片机；智能小车；传感器；H桥 方案一设计的自动小车是受到参考文献[1]的启发，在原有基础上进行了改进。
原方案[1-2]采用两块单片机(AT89C51和AT89C2051)作为智能小车的检测和控制核心，实现小车识别路线、判断并自动躲避障碍、选择正确的行进路线。
驱动电机采用直流电机，电机控制方式为单向PWM控制。
电机控制核心采用AT89C2051单片机，控制系统与电路用光电耦合器完全隔离以避免干扰。
本设计采用一块单片机（AT89S52）作为智能小车的检测和控制核心，是一种分布式控制系统的设计方法，分为电机模块、传感器模块和驱动模块三部份。
小车模型采用5 V电池驱动，通过改变PWM占空比调速。
小车可以在不完全确定的道路环境下，通过自我判断，对周围环境进行探测，并做出相应的反应，如左拐弯、右拐弯和改变速度等，还可以自动后退。
目前用在机器人上的多为价格较贵的超声波传感器和红外传感器等，本设计采用价格便宜的反射式光电传感器来完成对周围环境的感知。
1 方案一的设计功能概述1.1 设计概述设计并制作一个能自动往返于起跑线与终点线间的小汽车。
允许用玩具汽车改装，但不能用人工遥控（包括有线和无线遥控）,如图1所示。
1.2 设计要求(1)车辆从起跑线出发(出发前，车体不得超出起跑线)，到达终点线后停留10 s，然后自动返回起跑线（允许倒车返回）。
往返一次的时间应力求最短（从合上汽车电源开关开始计时）。
(2)到达终点线和返回起跑线时，停。
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D esign of Position Servo D r iver for DC L im ited Angle Torque M otor X IAO Ran, ZHOU M ing, HAO Shou2gang
(Department of Automotive Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China) ABSTRACT: The app lication of DC lim ited angle torque motor on natural gas engine has been dis2 cussed at the beginning of the paper. The position servo driver is an important component of the digital speed governor system utilized on natural gas engine and it is always technical monopoly of som e foreign companies. The PWM servo driver based on a digital controllerMC9S12 p roduced by Freescale has been designed w ith position and current feedback. The driver realizes classic three2loop control m ethod inclu2 ding position loop , speed loop and current loop P ID computation by making full use of em bedded re2 sources ofMCU. The p recision of this system was p roved by experiments and itπs easy to regulate parame2 ters w ith simp le structure and stabile performance. The experiments data are listed at the end. KEY WO RD S: L im ited angle; DC torque motor; Servo driver; Three2loop control; Experiment
收稿日期 : 2007204209
有限转角直流力矩电机位置伺服系统在天然 气发动机电子调速系统中的应用原理如图 1所示 。
图 1 机组控制方案
上位机发动机管理系统 ( EM S) 通过接收操 作人员的意图 , 并根据发动机转速的反馈信号进 行转速闭环控制 。上位机的输出信号为直流力矩 电机的目标位置 (转角 ) 信号 。图中虚线部分即
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微电机
双极式控制方式的缺点之一是容易发生上下 两管直通的现象 , 因此在一管关断和另一管导通 之间 , 利用与门芯片设计了延时电路 , 如图 3 ( b) 所示 。匹配的延时时间为 2μs。
2008年第 41卷第 1期 (总第 169期 )
断才能给予处理 , 最后在此次中断服务程序结束之 前 , 再将中断的状态恢复即可。 313 电机驱动层
三闭环控制策略的每一环均采用了数字增量式 P ID控制算法 。电机驱动层主要完成这部分的 P ID 计算任务及根据前面的计算结果输出相应的电机驱 动 PWM 信号 。为提高控制精度 , 充分利用该单片 机的硬件资源 , 通过设置 PWMCTL 寄存器将其中 2 个 8 - bit PWM 输出通道合并为 1个 16 - bit PWM 输 出通道 [5 ] 。 PWM 控制信号的频率固定为 5 kHz。 314 支持层
Байду номын сангаас
图 4 软件控制策略
此外还要强调 S12单片机中断嵌套的实现。这 里涉及的中断都是可屏蔽中断 。如果不加软件方面 的特 殊 处 理 , 会 有 如 下 两 种 情 况 出 现 : 当 CCR (Condition Code Register) 寄存器的 I - bit在进行中 断处理中被自动置高 , 任何其它中断都不能打断当 前的中断服务程序 , 即使当前的中断优先级较低 , 即单片机默认的中断配置不支持中断嵌套 ; 相反 , 如果强制将 I - bit置低 , 则允许低优先级的中断服 务程序打断高优先级的中断 [4 ] 。理想的中断关系应 为高优先级的中断可以打断低优先级的中断 , 反之 则不然。解决该问题的思路是 , 首先将 CCR 的 I bit置低 , 之后在任何中断服务程序执行前先关闭低 于其优先级的所有中断 , 这样便只有高优先级的中
0 引 言
1 系统控制方案
有限转角直流力矩电机位置伺服系统目前广 泛应用于自动控制 、电气传动等领域 。该系统可 在电机一定转角范围内驱动负载快速运动并且准 确定位 , 具有力矩大 、响应快 、跟踪精度高以及 可靠性高等特点 。
随着我国能源紧缺问题的日益严峻 , 天然气 发动机及发电机组将会具有十分广阔的应用前景 。 在这类发动机的电子调速系统中也应用了有限转 角直流力矩电机位置伺服系统 。其主要技术难点 在于电机位置伺服驱动器的设计 。此前一直由包 括美 国 Woodward 公 司 在 内 的 外 国 公 司 垄 断 该 技术 。
2 驱动器硬件设计
电机位置伺服驱动器硬件系统框图如图 2 所 示 。驱 动 器 数 字 核 心 采 用 Freescale 公 司 的 MC9S12DG128型单片机 。单片机需处理 5 个模拟 量输入和两个数字量输出 。按照模块化的思想可 以将硬件结构划分为电源模块 、数字核心模块 、
通讯接口模块 、信号处理模块以及电机驱动模块 等 [ 1 ] 。下面特别对后两个模块进行重点说明 。
通过合理匹配电阻阻值的差分放大电路 , 可 以将电流环电路中采样电阻两端的电压差值读入 单片机 。该值反映了环路中电流的大小 , 据此可 以得到相应的电机目标位置信号 。
电机电流信号处理电路的核心是高压线性电 流传感器 IR2175, 如图 3 ( a) 所示 。它可直接将 电流采 样 电 阻 两 端 的 电 压 转 换 为 相 应 占 空 比 的 PWM 信号输出 。该信号既可以被单片机直接处理 , 也可以通过简单的滤波处理后变成电压 , 由单片 机的 A /D 转换器处理 , 从而简化了电机线电流的 检测电路 。
微电机
2008年第 41卷第 1期 (总第 169期 )
中图分类号 : TM35916 文献标识码 : A 文章编号 : 100126848 (2008) 0120037203
有限转角直流力矩电机位置伺服驱动器设计
肖 然 , 周 明 , 郝守刚
(清华大学 汽车工程系 , 北京 100084)
212 电机驱动模块
电机驱动采用双极式 H 型可逆 PWM 变换器 , 两组完全反相的 PWM 信号由硬件方法得到 , 即单 片机只输出一路 PWM 信号 , 将其通过非门电路后
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得到与自身反相的另一组信号 [2 ] 。此外 , 当驱动器 接收到无效信号或者蓄电池电压低于 15 V 时 , 由单 片机输出的 PWM 使能逻辑信号 , 通过作用于驱动 器 IR2110的 SD端口 , 可瞬间封锁输出驱动信号。
211 信号处理模块
该直流力矩电机通过其内置的磁敏转角传感 器反馈位置 。位置反馈信号是实现电机伺服控制 的基础 。该信号 A /D 转换精度越高 , 转换结果扰 动越小 , 对电机的精确控制越有利 。因此专门为 电机位置传感器设计了精密 5 V 电源 , 且注重了 PCB 板电磁兼容性的设计 。在使用单片机 10 - bit A /D 转换器的情况下取得了良好的效果 。将位置 信号通过微分电路处理后即得到电机速度信号 。
这部分软件主要是基于串口通讯为操作者提 供一个简单易用的交互接口 , 包括 P ID 控制的参数 设置 , 都可以在这一层面上进行 , 并可将确认后 的改动保存于 EEPROM 中 。
4 试验结果
图 5为通过 FreeMASTER 软件监控得到的电机 空载阶跃响应曲线 。纵坐标为通过单片机 10 - bit A /D 转换后得到的数字量 , 横坐标为时间轴 。其 中深颜色线为电机目标位置 , 浅颜色线为实际位 置 , 下方曲线为对应的电机电流曲线 。可以看到 电机在阶跃响应过程中超调量小 , 响应速度应接 近电机的最大角速度 。此外还进行了电机在惯性 负载和弹性负载下的试验 , 同样取得了良好的效 果 : 电机在固定位置时具有相当高的硬度及稳定 性 , 也能够在目标位置信号的连续变化过程中准 确地进行跟随且无抖动 , 达到了设计要求 。
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有限转角直流力矩电机位置伺服驱动器设计 肖 然 周 明 郝守刚
为电机位置伺服系统 , 包括驱动器和执行器两部 分 , 执行器即直流力矩电机 。该电机同天然气发 动机的蝶型进气阀门相连接 , 二者是完全同步的 。 随着电机位置的变化 , 阀门开度改变 , 天然气进 气量发生变化 , 从而能够达到调速的目的 。本设 计选用电机主要参数如下 : 输出转角 0°～75°, 最 大输出转矩 1316 N·m , 最大电流 20 A , 空载最大 角速度 1 000°/ s, 转动惯量 3105 ×10 - 3 kg·m2 。
电机位置伺服驱动器的功能是正确接收处理电 机目标位置信号 , 并根据电机的反馈信号驱动电机 , 精确跟踪目标位置。上下位机之间通过 4 mA ～20 mA电流环传递目标位置 , 具有低阻抗传输线对电 气噪声不敏感的优势 。设计中电流大小与电机目标 位置成线性对应关系 , 其中 4 mA 电流对应电机 0° 转角 , 20 mA电流对应电机 75°转角。