基于80C196MC单片机直流伺服电机调速系统硬件设计
第1章 绪论
1.1 直流伺服电动机发展及现状
传统直流电机采用机械机构（电刷）进行换向，因而存在机械摩擦，并由此带来电磁噪声、换向火花、以及寿命短等缺点，再加上制造成本高、维修困难，从而极大的限制了它的发展和应用范围。针对传统直流电动机的弊病，早在20世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替机械换向的直流无刷电动机。经过几十年的努力，终于在60年代实现了这一愿望。
在此之后，又相继出现了新型永磁材料钐钴、钐铝、钦铁硼，它们具有高剩磁密度，高矫顽力以及高磁能积等优异磁性能，使永磁电机有了较大发展。但是钐和钴的价格昂贵，限制了永磁无刷电机的前进步伐。直到八十年代初期，价格较低的钦铁硼永磁材料研制成功，开创了稀土永磁电机的新纪元，并为其在民品工业中的应用开辟了广阔前景，现已在医疗器械、仪器仪表、化工、纺织及家用电器等领域日益普及[1][2]。
进入90年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、MCT等相继问世，以及微处理器、大规模集成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性的变化。这些开关器件本身向着高频化、大容量、智能化方向发展，并出现集半导体开关、信号处理、自我保护等功能为一体的智能功率模块（正M）和大功率集成电路，使直流伺服电动机的关键部件之一―逆变器的成本降低，且向高频化、小型化发展。同时，永磁材料的性能不断提高和完善，特别是钕、铁、硼永磁材体的热稳定性和耐腐蚀性的改善，加上永磁电机研究和开发经验的逐步成熟，稀土永磁直流伺服电动机的应用和开发进入一个新阶段，目前正朝着超高速、高转矩，高功能化、微型化方向发展[3]。
1.2直流伺服电动机的特点及应用
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。
直流伺服电动机保持着有刷直流电机的优良机械及控制特性，在电磁结构上和有刷
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直流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永久磁钢。直流伺服电动机的电枢绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上，定子采用位置传感器实现电子换相来代替有刷直流电机的电刷和换向器，各相逐次通电产生电流，定子磁场和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩。
和有刷直流电机相比，直流伺服电动机由于取消了电机的滑动接触机构，因而消除了故障的主要根源。转子上没有绕组，也就没有了励磁损耗，又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的(在方波电流驱动时，电枢磁势的轴线是脉动的，会在转子铁心内产生一定的铁损，采用正弦波电流驱动比方波电流铁损更小)。总的说来，除了轴承旋转产生磨损外，转子的损耗很小，因而进一步增加了工作的可靠性[4] [5]。
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。直流伺服电动机的应用主要分为以下几类:
定速驱动机械
一般不需要调速的领域以往大多是采用三相或单相交流异步和同步电机。随着电力电子技术的进步，在功率不大于10KW且连续运行的情况下，为了减少体积，节省材料，提高效率和降低能耗，越来越多的电机正被直流伺服电动机逐步取代，这类应用:有自动门、电梯、水泵、风机等。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁电机外还要增加驱动器，因此目前较少有应用。
调速驱动机械
速度需要任意设定和调节，但控制精度要求不高的调速系统分为两种:一种是开环调速系统，另一种是闭环调速系统(此时的速度反馈器件多采用低分辨率的脉冲编码器或交、直流测速等)。通常采用的电机主要有三种:直流电机、交流异步电机和直流伺服电动机。这在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用[6][7]。
调速应用领域最初用得最多的是直流电机，随着交流调速技术特别是电力电子技术和控制技术的发展，交流变频技术获得了广泛应用，变频器和交流电动机迅速渗透到原来直流调速系统的绝大多数应用领域。近几年来，由于直流伺服电动机体积小、重量小和高效节能等一系列优点，中小功率的交流变频系统正逐步被直流伺服电动机系统所取
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代，特别是在纺织机械、印刷机械等原来应用变频系统较多的领域，而在一些直接由电池供电的直流电机应用领域，则更多的由直流伺服电动机所取代。
精密控制
伺服电动机在工业自动化领域的高精度控制中扮演了一个十分重要的角色，应用场合不同，对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同，在实际应用中，伺服电动机有各种不同的控制形式:转矩控制、电流控制、速度控制、位置控制。直流伺服电动机由于其良好的控制性能，在高速、高精度定位系统中逐步取代了直流电机与步进电机，成为其首选的伺服电机之一。目前，扫描仪、摄影机、CD唱机驱动、医疗诊断CT、计算机硬盘驱动及数控车床驱动中等都广泛采用了直流伺服电动机伺服系统用于精密控制[8][9][10]。
1.3 课题主要研究内容
本文以高性能的电机专用控制芯片80C196MC为控制核心，辅以键盘、显示、检测反馈电路，研制三相大功率永磁直流伺服电动机数字化控制系统。系统控制目标为：
1．实现电机的转速输入与转速显示，实现电机转速的控制； 2．实现电流、转速双闭环控制，尽量减小超调量和转差率； 3．控制起动电流的大小，防止起动过程中过流； 4．实现电机的正反转控制， 5．设置合理的电路保护
根据系统要求，本人主要从以下几个方面进行了研究：
1．首先探讨了直流伺服电动机的发展进程。从直流伺服电动机的基本原理出发，导出了其等效电路图和数学模型。研究了直流伺服电动机的工作原理、驱动方法、运行特性及控制规律。
2．对单片机的发展现状和特点进行探讨，对本文中将使用到的80C196MC做了重点论述，并设计基于单片机控制的有位置传感器控制方案。
3．设计了调速系统硬件总体结构，对系统各主要部分的硬件设计进行了详细的分析和阐述。根据系统的硬件设计和所采用的控制策略，调速系统各个环节的软件构成。
4．对控制系统整体性能进行了分析，并提出了需要进一步研究的若干问题。
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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。
2.1 直流伺服电动机基本组成
直流伺服电动机的结构原理图如图2.1所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。
逆变器Q1M1NPND1M2Q2NPND2M3Q3NPNR1D3BLDCM29ABCUQ4M4NPND4M5Q5NPND5M6Q6D6NPN3031速度给定驱动电路位置传感器主控单元
图2.1直流伺服电动机结构原理图
2.1.1电动机本体
直流伺服电动机本体在结构上与永磁同步电机相似，但没有笼形绕组和其它气动装置。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对数（2P=2，4，?）组成。
图2.1中的电动机为三相两极。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件相联接，在图2.1中的A相、B相、C相绕组分别与功率开关管Q1Q4、Q3Q6、
Q5Q2相接。位置传感器负责跟踪转子并电动机的转轴相联接。当定子绕组的某一相通
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