伺服电机控制系统

基于80C196MC单片机直流伺服电机调速系统
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论文摘要 本文主要论述三相直流伺服电机调速系统的设计方法。主控单元 为伺服电机专用控制芯片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 该信号计算电机的转速，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；功率驱动选用带保护电路和过流 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，可以实现 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，结 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 序完成系统的初始化， LED显示器扫描和键盘功能处理程序等部 分。
伺服电机控制系统 毕业设计中期检查
姓名：马越 学号：B07050405 学院：自动化 班级：电自四班
论文主要内容
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 论文目录 第1章 绪论 1.1 直流伺服电动机发展及现状 1.2直流伺服电动机的特点及应用 1.3 课题主要研究内容 第2章 直流伺服电动机的工作过程 2.1 直流伺服电动机基本组成 2.1.1电动机本体 2.1.2 转子位置传感器 2.1.3电子换向电路 2.2 直流伺服电动机的工作原理 2.3 直流伺服电动机的数学模型 2.3.1电压平衡方程 2.3.2转矩方程 2.3.3传递函数 2.4 直流伺服电动机的调速方法 2.4.1电势和调速方法 2.4.2电磁转矩 2.5直流伺服电动机双闭环系统 2.5.1双闭环控制系统组成 2.5.2双闭环控制系统动态数学模型
事件 处理阵列 2 PWM 端口 2
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。
M1 Q1 D1 M2 Q2 D2 M3 Q3 D3
A
L1
U
M4 Q4 D4 M5 Q5 D5 M6 Q6 D6
B
L2
C
L3
三相全控桥两两导通电路
传递函数 直流伺服电动机的运行我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
U (s)
E (s)
1 R
I (s)
Ct
Te (s )
VCC
1
B
上 拉 电 阻
R
－ － －
－ － －
IH
Ui
+ + + + + + +
霍尔 集成 芯片
2
Vout 3
霍尔效应原理示意图
霍尔开关应用电路
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。 直流无刷电动机的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成。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。 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状态和三 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或IGBT构成，具有驱动容易、开关频率高、可靠性高等诸 多优点
U i*
Ui
W ACR ( s )
U ct

TL
Ia 1 Kt La s Ra

1 Js R


调速系统方案确定 无刷电机样机参数 系统中三相直流伺服电动机各参数为：额定功率，额定电 流，额定电压，额定转速，电机内阻，绕组电感，飞轮力 矩，电动势常数。
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 控单元。 其主要技术指标为： 8 （1） 16MHz 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（P6.0—P6.5） 和两路用来控制直流电机的PWM波形（P6.6—P6.7）； 4 4. （3）工作电压：5 5.5 VDC （数字部分）， 5.5VDC（模拟部 分）；工作温度： 40 C — 85 C 80C196MC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、一个三相波形发生器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。如下图所示。
论文主要内容
• • • • • • • • • • • 第5章 基于单片机的调速系统软件设计 5.1 程序设计思想 5.2 主程序 5.2.1 初始化程序 5.2.2 键处理程序设计 5.2.3 LED动态显示子程序 5.3 捕捉中断服务程序 5.4 采样中断服务程序 5.4.1转速计算子程序 5.4.2 A/D转换子程序 5.4.3 波形发生控制程序
逆变器
Q1 M1 NPN D1 M2 NPN Q2 D2 M3 NPN Q3
R1
D3 BLDCM 29 A B C
U
Q4 M4 NPN D4 M5 NPN Q5 D5 M6 NPN Q6 D6
30 31
速度给定
驱动电路 位置传感器 主控单元
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。霍尔传感器由于结构 简单、性能可靠、成本低，是目前在直流伺服电动机上应 用最多的一种位置传感器。
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设计主要内容
• 1.2.1直流伺服电动机的特点 直流无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。 1.2 .2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结构简单、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，故在当今国民经济的各个领域， 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。
直流伺服电动机的调速方法
P
n E 直流伺服电动机定子绕组，相电势幅值由下式确定： 2fN1 60 N1 n Ce n
N 式中 C 2 60 N 为电势系数； 为相绕组等效匝数； R 若考虑线路损耗及电机内部压降（已归入 ），而且，导通型逆变器的输 1 U 出电压幅值为 U 1/ 2U ，则电机电势与外加电压相平衡， E 2 U ，即
基准电 压输入 模拟地
非屏蔽 中断
频率 输入 时钟 发生器 16K内部 存储器 存储器 控制器 数据/地 址总线 地址 总线 看门狗 电路 控制 信号 端口
A/D 转换器 S/H
488字节 寄存器 阵列 CPU
ALU
中断 控制器 外部事件 处理器
微指令 处理器
MUX
T2 CART 定时器2 定时器1 端口 0/1
e 1
1
Pn

d
d
1 1 U d Ce n I d R 2 2
1 (U d I d R ) 2 n C e n
式中为回路等效电阻，包括电机两相电阻和管压降等效电阻。式表明， 无直流电机的转速公式与直流电动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。 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 电机的平均电压而实现调速的。
TL (s )
K t ( La s Ra )
U (s )
－
1 ( La s Ra )( Js R ) K t
(s )
U n (s) ( s )
U i ( s) I a (s)
直流伺服电动机双闭环控制系 统框图
Kt
Ks U Ts s 1
* Un
UnW ASR (s )来自375 GD S2
n(s)
Ce
TL (s )
由直流伺服电动机动态结构图得其传递函数为：
n( s ) K1 K2 U ( s) TL 1 Tm s 1 Tm s
C K 上式中：K1为电动势传递函数系数，1 1/ Ce ，e 为电动势系数； 为转矩传递系数， ； 为电动机内阻，为转矩 K 2 R / Ce Ct R Ct 系数； 为机电时间常数， ， 为转子重量，为转子直 Tm RGD2 / 375 eCt C G D 径。