伺服电机控制系统教学提纲

伺服电机控制系统(kònɡzhìxìtǒnɡ)

毕业设计中期检查姓名：马越学号：B07050405学院(xuéyuàn)：自动化班级：电自四班第一页，共42页。论文(lùnwén)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(yuánlǐ) 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 第二页，共42页。论文主要(zhǔyào)内容第3章调速系统方案确定3.1无刷电机样机参数 3.2主控单元 3.2.180C196MC单片机简介 3.2.280C196MC单片机的结构 3.2.280C196MC单片机的特点(tèdiǎn) 3.3系统的组成 第三页，共42页。论文(lùnwén)主要内容第4章基于单片机的调速系统硬件(yìnɡjiàn)设计4.1供电电源设计 4.2检测电路设计 4.2.1位置检测 4.2.2整形电路 4.2.3正反转控制 4.2.4电流检测电路 4.3主功率和驱动电路 4.3.1主功率电路 4.3.2功率驱动电路 4.4过流过压保护电路 4.4.1过流保护电路 4.4.2过压、欠压保护电路 4.5键盘与显示电路 4.5.1键盘电路 4.5.2显示电路第四页，共42页。论文主要(zhǔyào)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(chénɡxùshèjì)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(chénɡxùshèjì) 5.2.3LED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 5.4.2A/D转换子程序 5.4.3波形发生控制程序第五页，共42页。基于(jīyú)80C196MC单片机直流伺服电机调速系统论文(lùnwén)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。关键字：直流伺服电动机；16位单片机；位置传感器；闭环系统；MOSFET；功率驱动第六页，共42页。设计主要(zhǔyào)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(sǔnhào)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。第七页，共42页。

第2章直流伺服电动机的工作过程

直流伺服电动机是近几十年来随着电力电子技术的迅速发展而发展起来(qǐlái)的一种新型电动机，其基本工作原理是借助反映转子位置的位置信号，通过驱动电路驱动逆变电路的功率开关元件，使电枢绕组依一定顺序导通，从而在电机气隙中产生旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，转子位置信号依一定规律变化，从而改变电枢绕组的通电状态，实现直流伺服电动机的机电能量转换。第八页，共42页。

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(cānshù)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。霍尔效应(xiàoyìng)原理示意图霍尔开关应用电路第九页，共42页。

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(suízhe)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第十页，共42页。

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(yīɡè)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。三相(sānxiānɡ)全控桥两两导通电路第十一页，共42页。

传递函数直流伺服电动机的运行(yùnxíng)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由直流伺服电动机动态结构图得其传递函数为：上式中：K1为电动势传递函数系数，，为电动势系数；为转矩传递系数，；为电动机内阻，为转矩系数；为机电时间常数，，为转子重量(zhòngliàng)，为转子直径。第十二页，共42页。

直流伺服电动机的调速方法(fāngfǎ)直流伺服电动机定子绕组(ràozǔ)，相电势幅值由下式确定：式中为电势系数；为相绕组等效匝数；若考虑线路损耗及电机内部压降（已归入），而且，导通型逆变器的输出电压幅值为，则电机电势与外加电压相平衡，，即

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(xìtǒng)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。第十三页，共42页。

电磁转矩直流伺服电动机的电磁转矩可由电机(diànjī)的电磁功率和角速度求得

将前面的公式带代入上式得

第十四页，共42页。

直流伺服电动机双闭环系统(xìtǒng)为了改善直流伺服电动机控制系统的动态特性，就很有必要在速度负反馈单闭环控制系统的基础上再引入电流负反馈环来控制系统动态过程的电流和转矩。为了实现转速(zhuànsù)和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速(zhuànsù)和电流，二者之间实行串级联接，直流伺服电动机双闭环控制系统如图所示。第十五页，共42页。

双闭环控制系统(xìtǒng)动态数学模型从直流伺服电动机动态数学模型中可以看出，直流伺服电动机有两个输入量，一个是外加电压信号(xìnhào)，另一个是负载转矩；前者是控制输入量，后者是扰动输入量。将扰动输入量的综合点移前，并进行等效变换，可得如下直流伺服电动机动态等效结构图，如下图所示。直流伺服电动机双闭环控制系统(xìtǒng)框图第十六页，共42页。

调速系统(xìtǒng)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(xuǎnyòng)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：（1）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）；（3）工作电压：（数字部分），（模拟部分）；工作温度：—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。第十七页，共42页。

80C196MC原理(yuánlǐ)框图第十八页，共42页。

系统(xìtǒng)的组成直流无刷电动机系统(xìtǒng)总体框图直流无刷电动机系统(xìtǒng)总体框图第十九页，共42页。

基于(jīyú)单片机的调速系统硬件设计供电电源设计(shèjì)：供电电路分别为单片机、运算放大器、功率驱动芯片和无刷电机提供电源。第二十页，共42页。

检测(jiǎncè)电路设计1位置检测(jiǎncè)图（a）无刷电机转子(zhuànzǐ)结构图图（b）霍尔传感器安装正视图位置传感器整体(zhěngtǐ)安装图见图(b)第二十一页，共42页。

2整形电路光电位置(wèizhi)传感器电路输出的位置(wèizhi)信号波形其实并不规整，需加入施密特整形电路。施密特整形电路如下图所示。霍尔位置传感器输出信号、、，经高速光电隔离(gélí)器6N136隔离(gélí)后，再经过施密特触发器整形。光隔的输入或输出一般须串电阻，防止光隔内部电流过大而老化，一般选用。74HC14是施密特输入反相器芯片，输入电平从低到高的翻转电平高于从高到低的翻转电平，使输入缓慢变化或不太规则变化的边沿整形成陡峭的边沿。为了使输入的信号同相，使用两级反相器，使整形作用更好，而且不改变输入信号的相位。整形后的信号、、分两路送入单片机。一路用于测速，另一路用于确定相顺序。第二十二页，共42页。

正反转(fǎnzhuǎn)控制检测(jiǎncè)信号与逆变桥的控制关系表捕获单元状态正向电动正向制动反向电动反向制动101Q6Q1Q3Q4Q3Q4Q6Q1001Q1Q2Q4Q5Q4Q5Q1Q2011Q2Q3Q5Q6Q5Q6Q2Q3010Q3Q4Q6Q1Q6Q1Q3Q4110Q4Q5Q1Q2Q1Q2Q4Q5100Q5Q6Q2Q3Q2Q3Q5Q6000禁止111禁止只要改变开关管的通电顺序就可以实现(shíxiàn)直流伺服电动机的正反转控制。检测信号与逆变桥的控制关系如表所示。通过表中的导通关系，在软件中设置一个列表，进行正反转控制时，只要查询该表调用相应的控制字即可实现(shíxiàn)正反转控制。第二十三页，共42页。电流(diànliú)检测电路在该电机转速控制系统中，为了得到(dédào)较好的动态性能，以及对主电路电流进行监控，需要对主电路电流信号进行采样反馈。在本设计方案中采用一个旁路采样电阻来检测系统的相电流，电阻位于三相全控功率变换电路的下端功率桥臂和地之间，阻值根据实际选。为了对功率控制电路电流进行采样，又与主控电路隔离，可选用安捷伦公司生产的线性光藕HCPL7800，该芯片的电流采样典型(diǎnxíng)应用电路如图所示。第二十四页，共42页。控制系统实时检测主功率(gōnglǜ)电路的母线电流，即相电流，利用采样电阻和运放将小电流信号转换为在之间变化的模拟电压信号，再通过HCPL7800高精度隔离放大器实现单片机控制器的ADC模块与采样电路之间的隔离，最后将其输入单片机控制器的A/D转换单元，变换为数字的电流信号。本系统利用功率(gōnglǜ)驱动采样电阻上的电压信号经过放大处理以后，送到单片机某一路A/D转换通道，经A/D转换以后，所得到的结果即可用于电流调节器和系统的过流保护装置。电流检测电路如下图所示。第二十五页，共42页。主功率(gōnglǜ)电路经过前面的探讨，系统采用脉宽调制法来控制电机的端电压。构成直流斩波器的开关器件过去用的较多的是普通晶闸管，它们本身没有(méiyǒu)自关断能力，因而限制了斩波器的性能;目前斩波器大都采用既能控制其导通又能控制其关断的全控型器件，如功率晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。因为电机，，所以主功率开关器件采用IR公司生产的快速MOSFET管IRF121，参数如表所示型号额定电压（V）额定电流（A）最高耐温(℃)内阻（导通）（Ω）电容（pF）最大电流（A）最大功率（W）IRF12160850.360032400表4.2IRF121参数表第二十六页，共42页。主功率(gōnglǜ)电路续流二极管选用快速恢复二极管，额定电流为3A，额定电压(diànyā)为40V，恢复时间为10NS。对输入端和输出端接有感性元件时，如控制接触器的线圈等，则在它们两端并联续流二极管（直流电路）和阻容吸收电路，以抑制电路断开时产生的电弧对功率电路的影响。RC吸收回路的R值越大，线圈两端的电压(diànyā)越高，要考虑线圈的绝缘水平是否工作在安全区；R的值越小，线圈（内电阻）要承担部分的磁能损耗，且回路总电阻值小，能量损耗就慢，电机去磁就较慢（因为回路电流在断开电源时的大小是一样的），当然，电容器的取值也致关重要，电容器能否吸收线圈中的磁能。这样分析，电容只是在线圈工作过程中，起隔离直流（能减去吸收回路中R的损耗）作用，不会减轻线圈的损耗，使用二极管，能隔离R在线圈工作时的损耗。第二十七页，共42页。功率(gōnglǜ)驱动电路根据系统(xìtǒng)总体设计方案选用美国国际整流器公司最新开发的高性能集成六路输出MOS门极驱动芯片IR2130作为六只开关功率管的驱动，IR2130的内部结构图如下图所示。第二十八页，共42页。IR2130的工作原理正常工作时，当外部电路不发生过电流，直通故障，且IR2130的工作电压源不欠压，以及脉冲处理电路和电平移位器PGLS输出高压侧栅极驱动信号不发生欠压情况时，则从封锁逻辑CLEAR故障逻辑处理单元FAULT及欠电压检测器LVD和UVDR来的封锁信号均无效。从脉冲形成部分来的六路脉冲信号，经三个输入信号处理器，按真值表处理后，变为六路输出脉冲，其对应的驱动三路低电压侧功率MOS管的信号，经三路输出驱动器放大后，直接送往被驱动功率器件的栅源极。而另外三路高压侧驱动信号、、先经集成于IR2130内部的三个脉冲处理和电平移位器PGLS中的自举电路进行电位变换，变为三路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的三路输出锁存器锁存，并经严格的驱动脉冲欠压与否检验(jiǎnyàn)后，送到输出驱动器进行功率放大，最后才被加到驱动的功率MOS器件的栅源极。第二十九页，共42页。IR2130与单片机和MOSFET的接口(jiēkǒu)驱动R2130可用来驱动工作在母电压不高于的电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为，而反向峰值驱动电流为。它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便的用来保护被驱动的MOS门功率管，加之内部自举技术的巧妙运用使其可用于高压(gāoyā)系统，它还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信导产生互锁延时时间。它自身工作和电源电压的范围较宽()，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压(gāoyā)侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及COMS电平兼容[13][14]。功率驱动电路如图所示。第三十页，共42页。过流保护(bǎohù)电路在永磁直流伺服电动机调速系统中，电机起动时，主回路会流过很大的起动电流，此外因控制回路、驱动回路等误动作、误配线等，会造成支路短路、输出短路等故障，过电流流过功率变换器开关元件MOSFET，发生短路时，电流变化非常快，元件要承受高电压、大电流，这就要快速检测过电流，在MOSFET还没有损坏时自行关断。过流保护环节分为两级保护。第一级过流检测与保护山驱动电路完成，采用集成驱动电路芯片IR2130，可实现对MOSFET的电流保护。过流检测按驱动信号与集电极电压之间的关系实现，当流过MOSFET的电流超过内部设定值时，驱动电路关断MOSFET，同时(tóngshí)送出过流信号，使光隔器件导通，输出低电平过流保护信号。第一级过流检测与保护通过快速响应霍尔电流传感器对直流侧母线电流进行检测，由支路短路、直接支路短路、输出短路和接地短路等引起的过电流必能检测出来，电路原理如图所示。第三十一页，共42页。第三十二页，共42页。过压、欠压保护是针对电源异常、主回路电压超过或低于一定数值时考虑的。通常系统输入电源电压允许波动的范围一般是额定输入电压的士10%。通常情况下，主回路直流环节的电压与输入电压保持固定关系。当输入电源电压过高，将使直流侧电压过高。过高的直流电压对MOSFET的安全构成威胁，很可能超过MOSFET的最大耐一压而将其击穿，造成永久损坏。当输入电压过低时，虽小会对主回路元件构成直接威胁，但太低的输入电压很可能是控制回路工作不正常，而使系统紊乱，导致控制器输出错误的触发脉冲，造成主回路直通短路而烧毁(shāohuǐ)MOSFET，而且较低的输入电压也使系统的抗干扰能力下降。因此，有必要对系统的电压进行保护。过压、欠压保护(bǎohù)电路图4.11为本文介绍的直流伺服电动机系统的过压保护(bǎohù)电路，参考电压设为额定电压的110％通过电阻对直流电源进行分压采样，与参考电压进行比较，一旦发生过压，则将故障信号送至单片机的不可屏蔽中断引脚，封锁功率开关的驱动信号[9]。增设一个同图4.4.2的检测电路，利用同相输入，把基准电压设为额定电压的90％，即可实现欠压保护(bǎohù)。第三十三页，共42页。键盘(jiànpán)与显示电路键盘接口(jiēkǒu)电路表4.3键盘功能(gōngnéng)定义表按键S1S2S3S4功能启动电机停止电机输入转速输入确认按键S5S6S7～S16功能正反转切换保留数字0～数字9第三十四页，共42页。

显示电路

为了能实时显示转速，需设置(shèzhì)显示电路。使用液晶显示模块显然是没有必要的。使用多个数码管显示又占用单片机太多I/O口，使用多位一体的数码管是很好的解决方案。如下图所示。LED的驱动器的选择由于单片机P3口可以吸收较大的电流，所以把LED的段接在P3口，可以不加驱动电路。LED位驱动比较常用的芯片ULN2003A和ULN2803。ULN2003A是具有7个达林顿电路的集成芯片，ULN2803是8具有个达林顿电路的集成芯片。此种芯片集电极可以吸收最大的电流，耐压为，能驱动常规的显示器。但在我们的系统中，只要驱动4位LED，所以可以单独选用一个三极管驱动一个显示器位，三极管选用NPN型9015，它的驱动电流最大为，可以使每个LED有足够的亮度。键盘接口电路如图4.14所示。如果驱动三极管损坏使三极管的基极和发射极直接导通而同时(tóngshí)单片机又写入低电平，则有可能因为电流过大而烧坏单片机的I/O口。因此，通常在驱动口串电阻，阻值约为几十到几百欧，本设计选用。第三十五页，共42页。显示接口(jiēkǒu)电路第三十六页，共42页。基于单片机的调速系统软件(xìtǒnɡruǎnjiàn)设计 无刷直流电机控制系统要想成功的完成其控制功能，硬件部分的设计与软件部分的设计都是不可或缺的。本章根据无位置传感器的无刷直流电机的控制系统的硬件设计方案，完成相应的软件部分的设计。5.1程序设计思想 从设计要求出发，本次设计主要完成以下工作： （1）检测键盘，从键盘接收电机起停、正反转、控制速度命令，控制电机运转，向显示器传送(chuánsònɡ)电机的实时转速。若采用手动控制，检测控制板的电机起停、正反转、速度控制命令，控制电机运转。 （2）完成传感器信号检测，并对检测的传感器信号进行译码，产生驱动功率全桥电路的信号逻辑，使电机运转。根据获得的电机转速的设定值以及从传感器信号测得的电机的实时转速，用PID算法计算出电机的转速控制量，从而调节电机的转速，使电机的转速跟随转速的设定值。

第三十七页，共42页。（3）根据转速控制量和电机的实时转速，计算SPWM算法的三角载波周期以及当前的第k个SPWM脉冲的占空比，从而产生SPWM信号调节电机的转速。 （4）对电机的故障(过电流，低电压)进行检测，从而保护电机的运行。 为了便于程序的编写和调试，系统软件采用模块化设计。系统软件包括了主程序模块、中断(zhōngduàn)服务程序模块及子程序模块。第三十八页，共42页。 系统的主程序(chéngxù)主要作用是组织系统的整个流程，监控系统的运行。在这部分程序(chéngxù)中它是通过控制人机交流来控制和显示系统的运行状态。具体说来就是操作人员可通过监控程序(chéngxù)建成的人机间的桥梁---键盘，来对单片机发出控制命令，使微机完全按人的命令工作。微机也通过这个程序(chéngxù)来向操作人员显示参数的标志，以便操作人员的了解运行的状态。 系统主程序(chéngxù)主要完成初始化、键盘查询及参数设置键功能处理、电机的起动和停止控制、速度的显示等功能。主程序(chéngxù)流程图如下：主程序第三十九页，共42页。

初始化程序(chéngxù)

。初始化程序主要完成单片机一些寄存器的初始化。开始先禁止所有的中断，设置中断屏蔽寄存器，允许CPU响应COMPI中断，对A/D转换进行初始化，选定A/D转换通道以及A/D采样、转换的时间，并设定由EPA事件的发生来启动A/D转换，脉宽调制模块(mókuài)PWM脉冲输出的初始化。设置好中断周期。初始化流程图如下所示第四十页，共42页。以下(yǐxià)是系统初始程序代码：CSEGAT2080NMAIN_START:DI；设置中断LDSP,#0200H；设置堆栈，设置中断屏蔽寄存器LDBINT_MASK,#04H；允