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1、-伺服电机控制系统本科毕业论文设计-第 - 40 - 页南京邮电大学 毕 业 设 计（论 文）题 目伺服电机控制系统专 业电气工程及其自动化学生姓名班级学号指导教师指导单位自动化学院毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名：
2、 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完
3、全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良
4、 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书
5、）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良
6、 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良
7、 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日目录目录I第1章 绪论- 1 -1.1 直流伺服电动机发展及现状- 1 -1.2直流伺服电动机的特点及应用- 1 -1.2.1直流伺服电动机的特点- 1 -1.2.2 直流伺服电动机的应用- 2 -1.3 课题主要研究内容- 3 -第2章 直流伺服电动机的工作过程- 4 -2.1 直流伺服电动机基
8、本组成- 4 -2.1.1电动机本体- 4 -2.1.2 转子位置传感器- 5 -2.1.3电子换向电路- 6 -2.2 直流伺服电动机的工作原理- 7 -2.3 直流伺服电动机的数学模型- 8 -2.3.1电压平衡方程- 8 -2.3.2转矩方程- 9 -2.3.3传递函数- 10 -2.4 直流伺服电动机的调速方法- 10 -2.4.1电势和调速方法- 10 -2.4.2电磁转矩- 11 -2.5直流伺服电动机双闭环系统- 12 -2.5.1双闭环控制系统组成- 12 -2.5.2双闭环控制系统动态数学模型- 13 -第3章 调速系统方案确定- 15 -3.1无刷电机样机参数- 15 -3
9、.2主控单元- 15 -3.2.1 80C196MC单片机简介- 15 -3.2.2 80C196MC单片机的结构- 15 -3.2.2 80C196MC单片机的特点- 17 -3.3 系统的组成- 18 -第4章 基于单片机的调速系统硬件设计- 19 -4.1 供电电源设计- 19 -4.2 检测电路设计- 20 -4.2.1位置检测- 20 -4.2.2整形电路- 22 -4.2.3 正反转控制- 22 -4.2.4电流检测电路- 23 -4.3 主功率和驱动电路- 24 -4.3.1主功率电路- 24 -4.3.2功率驱动电路- 26 -4.4 过流过压保护电路- 29 -4.4.1过流
10、保护电路- 29 -4.4.2过压、欠压保护电路- 30 -4.5 键盘与显示电路- 30 -4.5.1键盘电路- 30 -4.5.2显示电路- 31 -第5章基于单片机的调速系统软件设计- 33 -5.1 程序设计思想- 33 -5.2 主程序- 33 -5.2.1 初始化程序- 34 -5.2.2 键处理程序设计- 36 -5.2.3 LED动态显示子程序- 37 -5.3 捕捉中断服务程序- 38 -5.4 采样中断服务程序- 39 -5.4.1转速计算子程序- 40 -5.4.2 A/D转换子程序- 40 -5.4.3 波形发生控制程序- 42 -参考文献- 45 -致谢- 47 -基
11、于80C196MC单片机直流伺服电机调速系统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
12、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 The designations of the BLDCM velocity modulation system based on the 80C196MC single chip microcomputerAbstract This article mai
13、nly discusses the designations of three-phase BLDCM velocity modulation system. The master controlled unit is BLDCM special-purpose control chip 80C196MC, assistances with the keyboard, the monitor, examines the electric circuit, the power electric circuit, actuates the electric circuit, the protect
14、ion circuit and so on. The BLDCM with 3 Hall sensors establishing inside, to exam the position of the rotor and decide the phase change of electrical machinery, the system calculates the rotational speed of the electrical machinery to realize the velocity-feedback control according to the Hall signa
15、l. The rotational speed of the system is offered by the keyboard entry, and the real-time rotational speed can be display; The power chip selects higher performance-to-price ratio and faster MOSFET; The power actuation selects the integrated chip IR2130 with protection circuit and over-electric curr
16、ent output , which can realize the electrical machinerys high-frequency and quick-starting; The system also has established the electric current sampling electric circuit, with the velocity feedback electric circuit constituting the doubling closed-loop system, which can realize the electrical machi
17、nery quick- starting and obtain the good load performance, has met the requirements of the design project.Software is painted as a direct motor of the modulation, a wide and principle, the hardware and software 80c196mc programming, design the system of the dc machinery velocity modulation. in softw
18、are system software application programs, and the two great and complete system of the main program initialization, led display the functions of the processing procedures with the keyboard.Keywords: Brushless DC Motor; 6bit Single-chip Microcomputer; Position sensors; Closed-loop system; MOSFET; Pow
19、er actuation.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
20、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12。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
21、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
22、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
23、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
24、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67。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
25、流伺服电动机系统所取代，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
26、于精密控制8910。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
27、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。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
28、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。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（=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中的相、相、相绕组分别与功率开关管、相接
29、。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电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子位置信号变换成电信号，控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的作用。2.1.2 转子位置传感器位置传感器在直流无刷电机中起着检测转子磁极位置的作用，安装在定子线圈的相应位置上。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子磁极所产生的磁场互相作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁极位置变换成电信号，去控制
30、电子换向线路，从而使定子各相绕组按一定次序通电，使定子相电流随转子位置的变化按一定的次序换向，从而使电机能够连续工作。位置传感器的种类很多，且各具特点。目前在直流无刷电机中常用的位置传感器有以下几种类型：1电磁式位置传感器电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现位置测量。电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、结构简单等优点。但这种传感器的信噪比低，同时其输出波形为交流，一般需要经过整流、滤波后才可使用。2光电式位置传感器光电式位置传感器利用光电效应制成，由跟随电机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。这类传感器性能比较稳定，但存在输出信号信
31、噪比较大、光源灯泡寿命短、使用环境要求高等缺点。3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5。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。霍尔效应原理图如2.2.1a所示：图2.2 a霍尔效应原理示意图 图2.2 b霍尔开关应用电路在长方形半导体薄片上通以电流，当将半导体薄片置于外磁场中，并将其与外磁场垂直时，则在与电流和磁感应强度B构成的平面相垂直的方向上会产生一个电动势，称其为霍尔电动势，
32、其大小为：式中，为霍尔元件的灵敏度系数。霍尔元件所产生的电动势很低，在应用时往往需要外接放大器，很不方便。随着半导体技术的发展，将霍尔元件与附加电路封闭为三端模块，构成霍尔集成电路。霍尔集成电路有开关型和线性型两种类型。通常采用开关型霍尔集成电路作为位置传感元件。我们通常把开关型霍尔集成电路叫做霍尔开关，其应用电路如图2.2.1b所示。使用霍尔开关构成位置传感器通常有两种形式。第一种方式是将霍尔开关粘贴于电机端盖内表面，在靠近霍尔开关并与之有一定间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体。第二种是直接将霍尔开关敷贴在定子电枢铁心表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上永磁体主磁极作为传感器的永磁体，根
33、据霍尔开关的输出信号即可判定转子位置。对于两相导通星形三相六状态直流伺服电动机，三个霍尔开关在空间彼此相隔120电角度，传感器永磁体的极弧宽度为180电角度，这样，当电机转子旋转时，三个霍尔开关便交替输出三个宽度为180电角度、相位互差120的矩形波信号9。直流伺服电动机转子位置传感器输出的脉冲信号通过单片机控制器的CAP捕获电路送入单片机控制器作为转子位置和速度的反馈信号，当任意一相转子位置信号发生变化时，产生中断，在中断处理程序中实现电机换相。在电机转子每个旋转周期内霍尔位置传感器会产生六个交变信号，因此只要算出两次信号交变的时间差，就可以由简单除法得到电机实际速度值。2.1.3电子换向电
34、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
35、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412。2.2 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
36、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。直流伺服电动机的运行原理和有刷直流电机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流总量恒定，以产生恒定的转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关。直流伺服电动机的运行还需依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态，使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变。因此，就可产生恒定的转矩使直流伺服电动机运转起来。直流伺服电动机三相绕组主
37、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，如图2.3所示。图2.3 三相全控桥两两导通电路在图2.2中，电动机的绕组为星形联结。、为六个功率器件，起绕组的开关和驱动作用。同时我们采用两两导通方式，所谓两两导通方式是指每一个瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期（60电角度）换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通120电角度。各功率管的导通顺序。当功率管导通时，电流从管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经管回到电源。二相导通的星形三相六状态的
38、导通顺序表如表2.1所示。表2.1 两两导通的导通顺序表时间（电角度）（）0 导通顺序UVWVWUVBG1导通导通BG2导通导通BG3导通导通BG4导通BG5导通导通导通BG6导通导通2.3 直流伺服电动机的数学模型方波直流伺服电动机的主要特征是反电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，这意味着定子和转子的互感是非正弦的，并且直流伺服电动机的电感为非线性。因此在这里采用dq变换理论己经不是有效的分析方法，因为dq方程只适用于气隙磁场为正弦分布的电动机。而直接利用电动机原有的相变量来建立数学模型既简单又能获得较准确的结果。在此，直接采用相变量法，根据转子位置，采用分段线性表示感应电动势。为简化数学
39、模型的建立，在电机模型建立时，认为电机气隙是均匀的。并作以下假设：1定子绕组为60相带整距集中绕组，星形连接；2忽略齿槽效应，绕组均匀分布于光滑定子表面；3转子上没有阻尼绕组，电机无阻尼作用；4磁路不饱和，忽略高次磁势谐波的影响，忽略磁滞、涡流的影响。2.3.1电压平衡方程由电机电压平衡方程（2.1）对于三相直流伺服电动机，方程可写成（2.2）式中：、为三相定子相电压；、为三相定子反电动势；、为三相定子相电流；、为三相定子相电阻；、为三相定子绕组自感；、为三相定子绕组间互感；为微分算子。无刷电机的结构决定了在一个电角度内转子的磁阻不随转子位置的变化而变化，并假定三相绕组对称。则有： （2.3）
40、 （2.4） （2.5）又因为在三相对称的电机中存在因而，故方程经整理可得：（2.6）2.3.2转矩方程直流伺服电动机的电磁转矩方程与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比，即（2.7）其中：为电机的角速度；为电机的极对数。在忽略转动时的粘滞系数的假设下，无刷电动机的运动方程可写为：（2.8）其中：为电机的负载转矩；为电机的转动惯量。2.3.3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，如图2.4所示：图2.4直流伺服电动机动态结构图由直流伺服电动机动态结构图得其传递函数为：（2.9）上式中：K1为电动势传递函数系数，为
41、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，为转子直径。2.4 直流伺服电动机的调速方法2.4.1电势和调速方法由直流伺服电动机数学模型知，直流伺服电动机机械特性方程同一般有刷直流电动机机械特性方程在形式上完全一致。所以直流伺服电动机的调速方法也和有刷直流电动机的调速方法相似。有刷直流电动机调速方法包括：改变电机主磁通调速;改变电枢回路电阻调速；调节电枢端电压调速15。直流伺服电动机定子绕组，相电势幅值由下式确定：（2.10）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
42、电压相平衡， ，即 （2.11）（2.12）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2.12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。调节电枢端电压调速主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电机额定转速向下变速，属于恒转矩调速方法。该方法的主要优点有：降压特性曲线是一族与固有特性平行的直线，无论满载、轻载还是空载，都有明显得调速效果;降压特性曲线的硬度不变，低速时由于负载变化引起的转速波动不大，静态稳定性好，调速范围大；可以平滑地改变施于电动机的端电压，从而使转速平滑地调节，实现无极调速；电枢端电压调速方法调节过程中能量损耗小。因此这种调速方法被广泛应用在对起动、制动和调速性能要求较高的场合。调节电枢电压需要有专门的可控直流电源。常用的可控直流电源有三种：旋转变流机组、静止可控整流器、直流斩波器或脉宽调制变换器。通过脉宽调制变换器进行调制的方法又称为PWM（Pulse