基于80C19单片机伺服电机调速系统软硬件设计
一块输出?5V用于单片机、光电隔离器、或门、LED驱动、施密特触发器等。
主电路组变压器输出经滤波电容后再经过平波电抗器，使输出的直流电流更平滑，也可以有效抑制电路中的瞬时过流。由于主电流电流较大，不适合使用三端稳压块稳压。所以输出使用由齐纳稳压管和达林顿管构成的简单串联稳压电路，具有电路简单、输出电流大、稳压效果好，特别是体积小等特点[17]。
达林顿管选用MAXIUM(美信)公司的2N6038，基PCM?40W，ICM?4A，
VCEO?60V，HFE?2500，稳压管使用IN6009，最大耗散功率为0.5W，稳压值为24V，
最大工作电流为18mA。该电路稳压过程如下：
1．当输入电压不变，而负载电压变化时，其稳压过程如下：
I0
UOUOUBEIBICUCE2．当负载不变，输入电压U增加时，其稳压过程如下： UI
UOUOUBEIBIcUCB3．当UI增加时，输出电压UO有升高趋势，由于三极管Ｔ基极电位被稳压管ＤＺ固定，故UO的增加将使三极管发射结上正向偏置电压降低，基极电流减小，从而使三极管的集射极间的电阻增大，UCE增加，于是，抵消了UO的增加，使UO基本保持不变。
变压器功率计算：功率驱动电路15~30W；?5V供电电路5V?1A?5W；?12V供电电路12V?1A?12W；电路损耗（约5W）
总功率为 (15~30)W?5W?12W?5?(37~52)W
选45W双输出变压器，共有两路输出，一路为12V，另一路为24V。
4.2 检测电路设计
4.2.1位置检测
样机的永磁转子结构如图4.2 (a)所示。由于电机绕组为三相四极，电机内部的霍尔元件数和永磁块数均为三个，三个传感元件在空间上互差60?机械角度分布，且每个传感元件与其对应的相绕组轴线之间的机械夹角为15?，它们通过固定件固定在电机机座
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上，为了以后讨论方便，将三个传感元件分别编号为Ha、Hb、Hc。位置传感器整体安装图见图4.2(b)。
SNSaNS
SbSc图4.2（a）无刷电机转子结构图 图4.2（b）霍尔传感器安装正
视图
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，磁力线不穿越霍尔元件，霍尔元件输出为“1”(高电平);当齿部离开时，磁力线穿越霍尔元件，霍尔元件输出为“0”(低电平)。这样，根据这三个霍尔元件的输出状态，就可以准确地确定转子的磁极位置。例如，齿部准备进入
Ha时，则Ha、Hb、Hc的输出为001，随电机旋转，齿部进入Ha，则Ha、Hb、Hc的输出为101，再转动，Ha、Hb、Hc的输出变为100，如此反复，位置编码如下所示：
H001101100110010011 a、Hb、Hc的波形如图4.3所示。
SaSbSc图4.3传感器位置信号波形
从图4.3可以看出：
1．Ha、Hb、Hc的输出波形为三个脉宽为180?电角度的矩形波； 2．在空间360?(机械角度)范围内，都有一个状态编码与转子位置对应； 3．每一个编码都持续30?机械角度，即60?电角度。
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4.2.2整形电路
光电位置传感器电路输出的位置信号波形其实并不规整，需加入施密特整形电路。施密特整形电路如图4.4所示。
U1BP2.4P0.0P2.5674HC14U1A274HC1411274HC14474HC14U1C51074HC14U1F131033874HC14U1E11C2103R11KU1D9C1103R21KVCC15VU2HaR41KHbR51KHcR61KR31K6N136U3单片机P2.66N136U46N136图4.4施密特整形电路
霍尔位置传感器输出信号Ha、Hb、Hc，经高速光电隔离器6N136隔离后，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1K/1/4W。
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H1、H2、H3分两路送入单片机。一路用于测速，另一路用于确定相顺序。
4.2.3 正反转控制
表4.1 检测信号与逆变桥的控制关系表
捕获单元状态 101 001 011 010 110 100 000 111
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正向电动 Q6Q1 Q1Q2 Q2Q3 Q3Q4 Q4Q5 Q5Q6 正向制动 Q3Q4 Q4Q5 Q5Q6 Q6Q1 Q1Q2 Q2Q3 禁止 禁止 反向电动 Q3Q4 Q4Q5 Q5Q6 Q6Q1 Q1Q2 Q2Q3 反向制动 Q6Q1 Q1Q2 Q2Q3 Q3Q4 Q4Q5 Q5Q6 基于80C19单片机伺服电机调速系统软硬件设计
只要改变开关管的通电顺序就可以实现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4.1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正反转控制。
4.2.4电流检测电路
在该电机转速控制系统中，为了得到较好的动态性能，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。相电流检测环节的目的是对主电路电流信号进行检测。采样电流信号一般情况下有两种方式：采样电阻和电流传感器。采样电阻可以直接将主电路电流信号转化为电压信号送给控制电路，简单、方便、而且频响好、输出电压直接正比于主电路流过的电流[16][17]。
因此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0.1?/1W。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应用电路如图4.5所示。
图4.5 HCPL的电流采样放大典型应用电路
控制系统实时检测主功率电路的母线电流，即相电流，利用采样电阻和运放将小电流信号转换为在0.1V~0.5V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。电流检测电路如图4.6所示。
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C2 Ia0.1μF C1R7 103 0.1Ω/1W R3VCCU11234HCPL7800VDD2VOUT+VOUT-GND2VCCC387R10.1μF6R2510K×210KC40.1μF76U2BLM339R410KC50.1μF1R5100ΩVCCVDD1VIN+VIN-GNDR6200ΩP0.9DW1+5V图4. 6电流检测电路
4.3 主功率和驱动电路
4.3.1主功率电路
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。
电力晶体管的优点是饱和压降低、载流密度大，但是驱动电流较大。电力场效应管是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、工作频率高，但是电力MOSFET的电流容量小、耐压低、导通压降大，适用于小功率电力电子装置。由于功率场效应晶体管(Power MOSFET)是一种单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频特性好、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、无二次击穿问题、安全工作区宽和跨导线性度高等显著特点，因而在各类中小功率开关电路中得到了广泛的应用[17]。
因此本控制系统使用功率MOSFET作为功率开关器件。功率开关器件的选取非常关键，如果选择的功率管容量、耐压过大，则将大幅增加控制系统的成本;如果功率管的耐压及电流容量偏小，则在工作过程中经常无端出现管子烧毁的现象。纯硬件原理样机的主功率及其驱动电路根据系统总体设计方案采用DC-AC三相桥式逆变电路，24V主功率电路如图4.7所示。
因为电机UN?24V，IN?1.8A，所以主功率开关器件Q1~Q6采用IR公司生产的快速MOSFET管IRF121，参数如表4.1所示。
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