（电机与电器专业论文）数字化有限转角直流无刷力矩电机伺服控制系统.pdf

两北1 _ 业人学蛳1 论卫捅盟 a b s t r a c t a n e w s t y l em i s s i ea c t u a t o rs e r v oc o n t r o ls y s t e m i ss t u d i e di at h ed i s s e r t a t i o n t h es y s t e mi sad i g i t a ll i m i t e da n g l eb r u s h l e s sd ct o r q u em o t o rc o n t r o ls y s t e m w i t hac o n t r o lc o r eo f8 0 c 1 9 6 k cm c u ( m i c r oc h i pc o m p u t e r ) i th a st h e c h a r a c t e r i s t i co fn o d g e a r - b o x ，l a r g eo u t p u tt o r q u e ，s i n a i lv o l u m e ，e a s yc o n t r o l ，f a s t r e s p o n s e ，h i g h t r a c k p r e c i s i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y e t c t h e s y s t e mm sp o t e n t i a l a d v a n t a g e so v e rs u b s t i t u t i n gf o rt r a d i t i o n a lh y d r a u l i co rp n e u m a t i cm i s s i l ea c t u a t o r s e r v oc o n t r o ls y s t e ma n dh a sw i d ep r o s p e c ti nt h ef i e l d so fa e r i a la c t u a t o r ，s e r v o v a l v e ，r o b o t ，r a d a ra n t e n n a e t c t h e s y s t e m so p e r a t i o np r i n c i p l e ，c o n t r o li d e a ，f u n c t i o n sa n dr e a l i z a t i o no f e a c h c o m p o n e n ta r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h em e t h o d so f d e t e r m i n a t i o nb i p o l a ri n p u t t i n g c o n t r o l s i g n a l ，o p t i c - e l e c t r o n c o d e rf e e d b a c k s i g n a lc o n n e c t i n g w i t h m c u ， d i m e n s i o n s u n i t y o f i n p u t t i n gs i g n a l b e t w e e nf e e d b a c k s i g n a l ，z e r o p o s i t i o n o r i e n t a t i o n ，a n dl o g i c a ld r i v e a r e p m p o s e d a n dr e a l i z e d t h ea u t h o rs c h e m e so u tt h es y s t e m s p r i n c i p l ec i r c u i t ，a n dc o m p l e t e st h ed e s i g n ， d e b u g o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t e s to ft h e p r o t o t y p ep e r f o r m a n c e s i n t h e d e s i g n a t i o no fs o f t w a r e ，t h ea u t h o ra d o p t st h em o d u l a rd e s i g n i n gm e t h o d ，a n dm a k e s f u l lu s eo ft h ef u n c t i o n sw h a tt h em c uo f f e r s ，s u c ha sa d f u n c t i o n ，i n t e r r u p t f u n c t i o n ，p w mf u n c t i o n ，a n ds o f t w a r et i m e rf u n c t i o n ，a sar e s u l t ，t h ef o l l o w i n g s u b r o u t i n e sa r e p r o g r a m m e d ：a ds a m p l e ，r e a do p t i c e l e c t r o n c o d e r s i g n a l ， d i s p o s i t i o n o fo r i e n t a t i o n i n t e r r u p t i o n zi n t e r r u p t i o n ，a n ds o f t w a r et i m e r t h e s e d e s i g n s n o t o n l ys i m p l i f i e d t h e p r o g r a ms t r u c t u r e ，b u ta l s oi m p r o v e dr e a l t i m e p e r f o r m a n c e ，s e c u f i t y a n dp r e c i s i o no f t h es y s t e m m o r e o v e lt h et i m eo f d e b u gt h e s y s t e m ss o f t w a r ei ss a v e d ，t h ed e s i g na i mi sa c h i e v e d 1 r o u g ht h et e s t i n go ft h e p r o t o t y p ep e r f o r m a n c e 巧北1 _ 业人学城i 论卫 摘要 t h es y s t e mi sa n a l y z e dd e e p l yi nt h e o r yt h r o u g hd i s c u s s i o na n ds i m u l a t i o no f t h es e v e r a lc o n t r o l l e r d e s i g nm e t h o d s i n c l u d i n g t h e c o n t i n u o u s - d i s c r e t ef i e l d d e s i g n a t i o n ，t h em a t h e m a t i cr e s o l u t i o n ，a n d t h ef u z z yc o n t r o ld e s i g nm e t h o d s e v e n t u a l l y ，t h ep r o b l e m s ，s o l u t i o n sa n dt h ep e r s o n n e le x p e r i e n c ei nd e s i g n i n g a n dd e b u g g i n ga r es u m m a r i z e d t h e a p p l i c a t i o np r o s p e c to f t h es y s t e mi sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：l i m i t e d a n g l e a c t u a t o rs e r v oc o n t r o l b r u s h l e s sd c t o r q u em o t o rd i g i t a lc o n t r o l l e r 两北丁业人学坝1 论文第一章结j 会 第一章绪论 本章概述了伺服系统的基本原理、组成与发展及系统要求，介绍了国内外 导弹舵机伺服控制系统的发展现状，并提出了本系统要研究的内容，以及研瓮 方法和课题的重点与难点。 1 1 伺服系统概述 伺服系统也称随动系统，属于自动控制的一种，用于控制被控对象的转角 或位移( 或速度、加速度等) ，使其能自动地、连续地、精确地跟踪输入指令的 变化规律。伺服系统通常为带有负反馈的闭环控制系统，在某些场合下也可使 用开环控制来实现，如以步进电机为执行机构的伺服控制系统。 1 1 1 伺服系统发展与基本组成 伺服系统是伴随着电的应用而发展起来的，最早出现于2 0 世纪初。 , 9 3 4 年第一次提出了伺服机构( s e r v o m a c h a n i s m ) 这个词，随着自动控制理论的发展， 到2 0 世纪中期，伺服系统的理论与实践日趋完善，并得到了广泛应用。2 0 世纪 7 0 年代以来，随着计算机技术和微电子技术的飞速发展，微型计算机特别是单 片型计算机得到了迅速的发展，使得它们体积小、重量轻、工作可靠、价格低 廉，在伺服系统中取代了大量的模拟和数芋器件，提高了伺服系统的可靠性， 增强了系统的通用性和灵活性，促进了伺服系统向数字化方向的发展，已经从 原来的纯模拟控制器构成的控制系统，发展到以数字计算机为控制器的数模混 合系统和全数字伺服控制系统阶段，控制方法与控制算法也极其丰富，由经典 控制理论的各种控制器及校正方法发展到现代控制理论的状态观测器、最优控 制、自适应控制，以及模糊控制、神经网络等智能控制方法。 其应用几乎遍及社会的各个领域。主要应用领域包括：机械行业中的备种 机床运动部分的速度控制、运动轨迹控制、位置控制等：电瓶炼钢的电极的位 j 两北t 业人掌饷i ：沦卫第一曾绊沦 置控制：轧钢机运动的位置控制；高层建筑中电梯的升降控制；通信系统秃线 俯仰角和方位角的控制：计算机中的磁盘和光盘的驱动控制：国防行业中自勺雷 达、飞控器f 导弹姿态等控制，均需要伺服系统。 伺服系统的组成原理见图1 1 所示。主要包括控制器、执行机构、检测元 牛等环节，其核心为控制器。输入信号和反馈信号( 反馈信号可以是输出锫号 本身，也可以是输出信号的函数或导数) 之差，称为误差信号。误差信号加到 控制器上以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值。 图1 1 伺服系统基本组成 1 1 2 伺服系统基本要求 对伺服系统的基本要求是：系统首先必须稳定，除了绝对稳定性之外，它 还必须有适当的相对稳定性；也就是说，晌应速度要快，同对响应还应当有合 理的阻尼，并且使系统误差减小到零或减小到允许的最小值。具体来说要求 系统的上升时间、调节时间、超调量、系统误差均要愈小愈好。 1 2 导弹舵机伺服系统 1 2 1 系统研究背景 几十年来，绝大多数火箭和导弹等飞行器部采用液压伺服系统或气压伺服 系统等这是因为这些伺服系统具有优良的动态特性和结掏适应性，两旦很易 实现功率、输出转矩、动态特性和结构要求的统一。但是，这些类型的伺服系 统，结构复杂、加工精度高、质量大、成本高、技术难度大。各国在上述伺服 2 啊北1 _ 业人学坝l 论立第一学绪连 方面进行了多年大量的研究工作， 广泛而持久的应用。 电动伺服系统虽然出现较早， 原因主要是： 至今，这些技术己很成熟、可靠，因此得丑了 但是在相当长的时期内没能得到广泛应用，其 a )传统电机体积大、质量大、效率较低； b )机械传动机构较笨重，齿轮传动间隙不可忽视，需采取特殊技术措施， 彳嗡消除间隙： c )系统的动态特性远远低于上述两种伺服系统难以满足火箭和导弹等系 统的性能要求。 伺服作动器是飞行控制系统的执行机构，亦称舵规。它按照飞控汁算机豹输 出指令对飞行器的各操纵面进行直接( 复合舵机型) 或间接( 辅助舵机型) 控制。 它由作动器、控制器等组成，按使用能源可分为：机电、电液和气动舵机三种： 按被控物理量可分为：位置、速度及力舵机三种； 具体到导弹制导系统，舵机作为一个执行机构，按照控制指令信号柬控青i 舵 翼在一定角度范围类做快速的摆动，从而达到控制导弹方向姿态的作嗣。因此， 它的响应速度、精度以及可靠性对制导系统的性能起着关键作用。目自0 ，导弹舵 机的驱动般采用电液、气动、电动机等机构。在中远程导弹刹导系统中，基本 上部是采用液压作为动力元件，在短程制导系统中，通常采用气动和电动机作为 动力装置，而电动机一般采用直流有刷电动机和直流无昂4 电动机两种，且6 酱居 多。液压与气动装置的共同特点是：力矩较大，但机械机构、工艺操作复杂，重 量体积也大，而且它们与主控制器可传递的信息量小、简单，同时，响应慢，精 度与可靠性也不高。电动机的特点是：响应快，机械结构、工艺流程相对简单， 重量体积小，易与控制器通讯，精度和可靠性高，但它的力矩较小，且需要减速 器机构。根据导弹制导系统的特点尽可能地减小导弹各部件的体积与重量，以 及简化工艺装配流程，提高弹的精度与可靠性成为重要的研究方向。围绕这一研 究方向，电机饲服系统的研究受到世界各国的重视，各种新型的电机伺服系统的 控制技术电不断出现。已有一些国家在导弹上开始采用电动伺服系统，如法国竹 堕j ! ! 兰兰苎兰堡兰堡苎 里二主兰鱼 马特拉5 5 0 导弹，俄罗斯的某型战术地地导弹等。与此同时，我国在电动伺服系 统技术方面也得到了较快的发展和应用。 另外，新技术新材料的不断涌现，尤其是与电枫相关的稀材料的开发与应 用，极大地促进了电机产品的不断推陈出新，在中小功率电机领域，以稀土为劢 磁材料的微特电机更是得到了长足的发展，有限转角直流无刷力矩电机就是其中 一种。 有限转角直流无刷力矩电机是一种可在一定角度范围内直接驱动负载作决 速运动和准确定位的伺服电机。由该电机组成的伺服控制系统具有出力大、频带 宽、定位精度高、体积小、重量轻等特点，并可方便地组成双余度控制系统，实 现高可靠性驱动。上述优点，使得它在航空舵机、电子刹车等流体推进系统的伺 i 服阀、机器人关节的直接驱动、雷达天线等自动控制领域具有重要的应用价值和 广泛的应用前景，尤其符合导弹制导系统对舵机部件的要求。如果采用以高性能 单片机为控制核心，双余度有限转角无刷力矩电动机为动力机构，组成舵机伺服 控制系统，不仅可省去变速传动装置，而且更易与上位机或主控制器通汛，从而 使工艺流程变得更简单、成本大幅度降低，也更容易满足制导系统对部件的体积 和重量指标要求，容易实现标准化和批量化，而且使精度、快速性和可靠性大大 提高。 设计一种全数字化的稀土永磁有限转角直流无刷力矩电机组成的伺服控制系 统，使其能在定角度范围类跟踪输入指令信号，并且使力矩、快速性和精度等 达到导弹舵机指标要求，为我国的导弹舵机采用有限转角力矩电机，作些探索性 工作，这就是本文要研究的内容。 1 2 2 系统性能指标 本论文研究课题来源于作者的导师西北工业大学稀土永磁电机及控制技术 研究所刘卫国教授所承担的“教育部跨世纪优秀人彳培养计划基会”，和航空基 会“多余度有限转角直流无刷力矩电机研究”。 该系统的性能指标要求参考了模拟控制器组成的双余度有限转角宜流无刷 4 啊北1 业凡学 口! i j 论卫骣一节绪论 力矩电机伺服控制系统，其主要技术指标为： 电源电压：2 7 ：3v d c ： 输入指令：一l o v + 1 0 v ： ( 9 电机转角：一】o 。+ 1 0 。 零位定位精度：3 6 ； 跟踪精度：5 单余度额定力矩，峰值转矩：0 2 n r n 、0 6 h m ； 余度形式：双余度，即电机绕组、逻辑驱动、定位及功率桥电路为两 余度。 1 2 3 系统实现方案 针对有限转角直流无刷力矩电机的伺服控制系统，一般可采用纯模拟电路 组成的系统，或者数模混合的系统来实现，对于前者已有人作了相关的研究工 作。在本文，作者采用了一种全数字化电路组成的系统，即数字化有限转角直 流无刷力矩电机伺服控制系统。 1 2 4 双余度 在本系统中，为了提高系统的可靠性，对部分可靠性相对薄弱的环节采用 了双余度结构即采用两套完全相同的独立结构在正常工作时互不影响，若 有一个余度出现故障，另一余度自动切入工作状态从而保证了系统的正常运 行。在本系统中在硬件上采用双余度的环节有：有限转角直流无刷力矩电机 的绕组、逻辑驱动电路、定位及功率桥电路等。 1 3 主要研究工作 本文的研究内容是在导师指导下，完成系统硬件与软件的设计工作，并且 对设计的系统原理样机进行了联试和系统性能测试。 l _ 3 1 系统硬件电路的设计与制做 5 两北r 业人学颅l ? 论文 第一审蚺仓 在硬件方面，完成系统设计方案的论证和系统硬件控制电路的设计，并进行 系统基本功能的调试工作。 主要工作包括： 系统设计方案的论证：根据系统性能指标要求，确定系统控制方式及 硬件控制电路中单片机以及外围芯片； 根据系统方案完成系统电路原理图设计工作； 制作p c b 电路板，并进行基本功能测试，包括a d 采样、读取编码器 信号、位置显示及电机驱动等测试工作。 1 3 2 系统控制软件的设计与调试 按照系统技术指标要求，对系统进行合理的分析与规划，利用m a t l a b 软件 对系统进行仿真寻求合适的控制规律和确定软件流程及控制算法。 主要工作包括： 系统建模并进行仿真运算，确定控制规律及控制器； 全面分析系统要求以及实现功能，确定软件流程框图： 分别编写模块化功能子程序，主要包括：a d 采样子程序、读耿编码器 子程序、中断子程序、显示子程序、算法及p w m 驱动子程序等； 组成完整程序进行调试和主要性能指标测试。 1 3 3 课题难点与重点 由于本系统属于全新的预研课题，而相关的资料和信息比较缺乏但要共现 的功能复杂，并且工作量大、时间紧因此，相对来说难度较大。 实现系统的难点有： 保证系统的绝对稳定性，防止系统出现振荡，并达到系统基本功能要求； 在系统硬件上实现双余度结构和软件上的合理处理： 零位定位精度不易保证，尤其两套余度的零位一致性； 控制规律与系统的参数难以确定； 力矩指标与气动系统的相比仍太小，而它的进一步提高与体积重量? 中突 6 塑! ! ! ：些生兰竺! ：堡兰堡二兰堕堡 力矩指标与气动系统的相比仍太小，而它的进一步提高与体积重量冲 突较大。 在以上问题中，、问题是本系统重点研究内容，也是系统能够实 现的关键和主要任务量所在，问题是有待系统以后的改进与完善，如进一步 优化方案设计更合理的系统结构，选用抗干扰性能强的元器件；改进电机本 体，设计更合理的磁路和选用更好的永磁材料，大幅度提高它的力矩输出，同 时减小它的体积及重量。 吒北t 业大学顺卜论文 第二章伺服挡制系统组成技1 _ 作埠埋 第二章伺服控制系统组成及工作原理 本章主要研究了系统的组成及工作原理，并且详细地研究了每一部分韵功 能以及实现方案。 2 1 系统组成 数字化有限转角直流无刷力矩电机伺服控制系统由四大部分组成：稀土永 磁直流无刷有限转角力矩电机、控制器、逻辑驱动及功率部分、光电编码器， 其基本构成如图2 1 所示。其中，考虑到电机绕组和逻辑驱动及功率部分是系 统在可靠 生方面相对薄弱的环节。因此，对电机采用单余度稀土永磁转子和双 余度绕组定子结构，逻辑驱动及功率部分采用两套完全相同的电路。以单片机 作为控制器同时控制电机的两套工作绕组和定位绕组，以及两套逻辑驱动及 功率电路，除定位完成信号相互传递外( 依靠定位中断服务程序可知1 ，两套控制、 驱动电路正常工作时彼此独立，可同时工作亦可单独工作。 图2 1 系统组成 注：虚线框内为有限转角直流无剥力矩电机。 两北t 业人学删! f j 论文 第一幸f u j 戕拄制系统维j 止搜丁竹咏理 2 2光电编码器 首先，考虑选择光电编码器，因为它的类型决定整个系统的组成 结构，以及影响系统跟踪精度等。 光电编码器作为测量角度和速度的传感器，它具有以下优点： 输出的信号是数字量，容易与数字电路相适配： 精度和分辨率较高，以及较强的抗干扰能力，能够保证整个系统的剥 量精度： 信号处理电路简便、容易，而且自身惯量小，在组成系统时，对系统 的动态性能影响较小。 正因为它具有以上优点，本系统就采用了光电编码器来实时检测电机转过 的角度，并将其信号送控制器进行处理。因为它的精度对于系统整个精度起决 定作用，选用高分辨率的光电编码器就显得十分重要。 光电编码器有绝对值式光电编码器和增量式光电编码器两种类型。前者输 出的信号经锁存器可直接接到单片机的i o 口，接口电路和信号处理简单，系 统也不需要定位零位，安装时只要保证编码器的零位与电机的机械零位对齐便 可直接测量位置，但它的精度、分辨率不易做得很高，如每转输出4 0 9 6 个脉冲， 就需1 2 个i o 口。若要提高分辨率其体积和成本就增加很大，占用单片机i o 口资源也很多，而且就国内目前产水平主要是1 2 位以下的。增量式光电编码器 以脉冲形式输出信号它通常给出这样一些信号：爿、a 、b 、b 、z 、z 六 个信号，其中，一与b 相差9 0 。，4 、口分别与a 、b 反相，它们每转输出多 个脉冲信号，z ( 或z ) 是零位参考，一般每转输出1 个( 或数个) 脉冲信号， 所有这些信号都是方波信号。它测量位置的过程是：利用z ( 或z ) 参考信号， 定出相对零位，然后通过定时计量一( 或b ) 的脉冲数来计算实际位嚣。增量 式光电编码器与绝对值式光电编码器相比较，它占用单片机的i o 口较少，但 阿i l t 业人学蛳i 论殳 旃一幸心牲制系统组成技。f 竹掠删 信号处理复杂，不过在采用光栅细分技术后，它的精度和分辨率可以做得很高， 且要比同精度和分新率的绝对值式光电编码器低廉不少。 考虑系统精度和分辨率及成本要求，本系统采用了增量式光电编码器。 2 3稀土永磁直流无刷有限转角力矩电机 稀土永磁直流无刷有限转角力矩电机它是集永磁电机无刷蕴流电机和 力矩电机的各自特点为一体的一种特殊电机。它主要应用于航天航空伺服阀的 驱动：另外，这种电机还可广泛应用于其它象要求有限转角的门的开启，仪器 仪表指针的偏转，还有天线、记录笔等等。在数控领域方面，如机器人也可采 用这种电机，而且可在某些要求定位精度高或电气伺服阀控制系统中作为执行 元件。根据舵机是有限转角对象以及舵机对力矩、精度及可靠性的要求，本 系统采用了稀土永磁直流无刷有限转角力矩电机。 2 3 1 电机基本结构 稀土永磁直流无刷有限转角力矩电机的基本形式与普通直流无刷力矩电机 类似，即定子嵌放绕组，转子安放永磁极，只是后者具有多相绕组，而前者只 有单相绕组，这样可省去换向电路。 该电机的定子结构有两种形式，即有槽电枢和无槽环形绕组电枢。有槽电 枢有带槽的迭片铁芯电枢绕组以线圈方式嵌入各槽中；环形绕组电枢具有实 心或迭片无槽铁芯，电枢绕组均匀缠绕于铁芯表面。两种结构相比，有槽结构 具有较大的转矩系数，散热效果较好，但有较大的磁滞效应和铁芯损耗，磁阻 作用使其具有一定的转矩脉动。而环形绕组由于无磁阻变化，气隙较大，因而 消除了磁阻转矩，使它出力平滑变化但转矩系数较小。 在本系统中，采用了有槽结构形式，因为大转矩和双余度都是环形绕组结 构难以实现的，而齿槽效应可以通过台理的斜槽设计，使磁阻转矩降至最小， 对电机定位精度毫无影响。图2 2 为电机结构截面示意图。 0 两北t 业人学坝l 论义 罅一幸 伺擞棒制系统纰池艟t 作鲰埋 其中，目，为旋转角度范围，o o 为电机机械零位线，和为目的边界 线。定子磁槽数z s = 1 4 ，其中7 、1 4 两槽无绕组，以防止在大角度定位时产生负 转矩。其它1 2 个槽隔槽嵌放两套彼此对称独立的工作绕组，l 、3 、5 为第一套 绕组上层边，8 、1 0 、1 2 为其下层边，同样2 、4 、6 位第二套绕组上层边。9 、 i l 、l3 为其下层边，这两套绕组分别称为a 1 x l 和a 2 一x 2 这样每套绕组由三 个线圈组成。由于选用了增量式光电编码器，必须定出相对零位置为了实现 零位定位，利用每套绕组中的一个线圈作为定位绕组三个线圈串联后作为工 作绕组。 另外，该电机转子采用超高内禀矫顽力的n d f 。b 磁铁组成两极结构，双余 度同时工作时，绕组电流产生的空间磁势如图2 3 所示。 图2 - 2 电机结构截面 图2 - 3定转子磁势矢量 两，f t t 业人学坝i j 论史 鲰一章如川k 挖州系统纰成发7 - 竹l 冉删 在吼工作范田内定、转子_ 5 蕴场平均萨交，产生最大电磁砖矩，单余度 工作时，电抠反应减小一半，同时有去磁或增磁磁势。图2 3 表示当转子主磁 场轴线位于零位时，各余度组合工作时的定转子磁势空间关系。 其中，户，转子励磁磁势矢量： 只，第一余度电枢反应磁势矢量： 只：第二余度电枢反应磁势矢量； 乞= f 。+ 丘：双余度合成电枢反应磁势矢量： c t - - m z s 为l 2 槽距角；e 电机旋转角度。 第一余度工作时当0 旺时：丘，去磁， 最大去磁磁势值为：e ，。= c 【s i n ( 口+ 以) ： 第二余度工作时，当0 ( c t 时：瓦：增磁， 最太增磁磁势值为：只2 = c 2s i n ( a + 以) ； 双余度工作时，当o ) 0 时：危去磁；当0 ( o 时：只增磁： 最大去磁或增磁磁势值为：c 一= c s i n ( 口+ 以) 。 2 3 2 电机定位绕组 采用增量式光电编码器为传感器的伺服系统，需要定位零位才能正常工作 为此设计一定位系统就成为必然。由于本系统执行元件是双余度有限转角力矩 电机，因此零位定位的精度直接影响整个伺服系统的跟踪搪度，它也是系统正 常运行的基础，通常采用机械弹簧或磁弹簧的方法实现零位定位。这两种方法 都将抵消掉电机的一部分电磁转矩，且占有一定的体积，还有可能随着时间温 度发生变化影响定位精度。作者利用电机的定位绕组，提出了一种新的电气 定位方法r 束实现零位定位。 堕i ! ! 些生兰竺! ：堡兰 苎= 里型型堡型墨堑丝! 生丝! 堡堡些 该定位方法是通过控制器束寻找光电编码器输出的零位信号z ，惶光电 编码器的零位信号z 与电机机械零位0 0 。对齐，即可实现零位定位。垓方案县 有准确、快捷、可靠等特点，而且省去了一些机械部件，能提高电机的功率f u 转矩密度其基本工作原理如图2 4 和图2 - 5 所示。电机零位线石西与空榷7 一1 4 的联线垂直并处于其中问位置，以获得最大电磁砖矩。以第一余度为例，当其 定位绕组( 线圈卜8 ) 通电方向如2 - 4 图示，则在空间中产生一个电磁势f ，浚 磁势将使转子主磁极尹，定位在该方向上。然后，给a 卜x 1 整个绕组通电，使其 反方向转动，同时利用控制器中断来检测z 信号，当转动到0 0 位置处，控制 器搜索到z 信号，立即产生中断，并使计数器清零复位同时转到位置闭环的 正常运行状态，即完成了正确定位过程。同理，若用第二余度来定位，则需给 定位绕组( 线圈6 - 1 3 ) 通电，它在空间产生一个电磁势只，该磁势将使转子主 磁极f ，定位在该方向上。然后给a 2 一x 2 整个绕组通电，使其反方向转动，控 制器搜索z 信号过程同第一余度过程。 r 1 1 - 了 图2 - 4 电机定位原理图图2 5 定位绕组接线图 2 3 3 电机设计特点 ( 【) 极对数p 翌! ! ! 些苎兰坐! ：堡兰 里= ! 望些堡型堑鉴坐坐丝三堡塑些 最大偏转角目。与p 的关系为： 目。、= 1 去 ( 2 一i ) 电机的实际转角范围目。应满足目。 4 ，c o n v = 6 1 4 ；对于8 位转换模式，应设 置s a m 2 ，c o n v = 5 1 8 。 为了与8 0 c 1 9 6 k b 的a d 相兼容，在8 0 c 1 9 6 k c 中仍保留了2 种转换速度， 这2 种转换速度由i o c 2 4 选择。当i o c 2 4 = 0 时，时钟定标器被接通，d 转 换需1 5 6 5 个状念周期；当i o c 2 4 = 1 时，时钟定标器断开，a f d 转换需8 9 5 卟 口q 北r 业人学坝i ：论义靖二三爷系绕耻l 垃 状念周期。同时a i d 时问哿存器的功能也受i o c 2 控制。 使用8 0 c 1 9 6 k c 的a d 时，应注意： a ) 对于1 次a ，d 转换，寄存器的初始化顺序为：a ，d 时间寄存器、1 0 c 2 ， 和刖d 命令奇存器； b ) 当a d 转换器币在以与8 0 c 1 9 6 k b 兼容的模式进行转换时，不要启动另 一次要用到a i d 时归l 寄存器的转换，因为前种转换必须使i o c 2 4 = 0 ， 而后一种转换却使1 0 c 2 4 = 1 ，两者是冲突的： c 1 决不要把0 值赋给d 时间寄存器。 在本系统中，a d 转换模式使用的是l o 位模式，a d 时间奇存器中的控制 锄0 a a h , 眦啪的转换公就卿 等等箬 a 3 4 2t 2 功能 8 0 c 1 9 6 k c 中t 2 的功能包括：作h s o 的外部时间基准、作为一个额外的 计数器、作向上向下计数器和捕获外部事件功能。下面主要介绍t 2 的新增的 一些功能。 曲捕获功能 当p 2 7 引脚出现上升沿时，能把1 r 2 的值捕获至t 2 c a p 寄存器中， t 2 c a p 寄存器位于窗口1 5 的0 c h 。捕获会产生一次中断，其向量单元是 2 0 3 6 h 。 b 1 快速增量方式 当i o c 2 0 = l 时，t 2 可工作于快速增量方式，在这种方式下，可对每 个状态周蠲跳变一次的信号进行计数，是正常计数速率的8 倍，但它不适 宜于作h s o 和时间基准因为h s o 需要8 个状态周期才能对所有的c a m 寄存器比较一遍。 c )向上向下计数方式 当i o c 2 1 = 1 ，根据p 2 6 的值，t 2 可进行向上或向下计数。若p 2 6 一】 听托r 业入学蛳1 。诧史强二节系统劬件碰。f 时，t 2 向上计数：若p 2 6 = 0 时，t 2 向下计数。在本系统中，作者r f 是利 用了t 2 这一功能，将经过编码器处理过的脉冲数信号( c o l r n t ) 与方向 信号( d i r e c t i o n ) 分别接至8 0 c 1 9 6 k c 单片机的t 2 c l k 与p 2 6 引脚， 就可以实现在编码器不同旋转方向时，t 2 计数器自动进行加减数，从而可 计算出电机的实际角度。在这种方案中，t 2 与光电编码器接口不仅简单， 而且也无需软件去跟踪编码器的位罱和方向的改变进行计算，c p u 可以集 中执行算法，提高了c p u 利用效率。 3 4 3p 蹦功能 8 0 c 1 9 6 k c 单片机有3 路p w m 输出，即p w m o 、p w m l 、p w m 2 引脚，它 们均与其它引脚复用。其中。p w m 0 受i o c l 0 控制p w m l 、p w m 2 分别受i o c 32 和i o c 3 1 3 控制当相应的控制字为l 时，p w m 功能被选中。 8 0 c 1 9 6 k c 单片机的p w m 分辨率是8 位的，脉冲周期有2 种选择。当 i o c 2 2 = 1 时，周期为2 5 6 个状态周期：当i o c 2 2 = 0 时。周期为5 1 2 个状态周 期。在任一种模式下脉冲周期恒定，p w m 占空比直接取块于p w m 控制寄存器 的值。在本系统选用了p w m 0 作为脉宽调制信号，这样就省去了专门的p w m 发生器。 3 4 4 中断功能 8 0 c 1 9 6 k c 提供了2 8 个中断源，1 8 个中断向量。其中非屏蔽中断n m i 、软 件陷阱t r a p 和非法操作码中断是3 种特殊的中断源，各占用了1 个专门的中 断向量，其余2 5 个中断源分别享用另外1 5 个中断向量并且某些中断源对应 不同的中断向量，其对应的路径受i o c l 的有关位控制。在本系统中使用了3 个中断源，分别是2 个外部中断源e x t i n t i ( p 2 2 ) 、e x t i n t ( p 07 ) 和软件 定时器0 中断对应的中断向量分别是2 0 3 a h 、2 0 0 e h 、2 0 0 a h 。其中，e x t i n t l 中断信号柬自外部的定位按键，它的中断服务程序是查询定位键号，并执行楣 应的定位程序：e x t i n t 中断信号柬自光电编码器的零位参考信号z ，它的中渐 服务程序是发送定位成功信号，并且设定好计数器t 2 ，准备转入闭环运行状态： 两北t 业人掌蝴f j 论立蝣二草系统蛐件吐i 十 软件定时嚣0 中断信号柬自内部定州器0 ，它的中断过服务程序是采样控制输八 信号界i 读取光电编码器反馈信号，同时为下次再进入软件定时器中断段定好帽 关的控制寄存器。 以上就是与本系统有关的单片机一些功能，下面介绍一下系统总线配詈。 出于8 0 c 1 9 6 k c 单片机的程序存储器与数据存储器是合而为一的普林斯顿 结构，不是采用哈佛结构那样程序存储器空间与数据存储器空矧分开，而且与 1 1 0 口统一编址的。另外，它内部自带的r a m 多达4 8 8 个字节，对于本系统而 言只需扩展一片e p r o m ，数据总线配置为8 位即可。考虑到程序大小，选用了 1 6 k e p r o m ( 2 7 c 1 2 8 ) ，同时园仅有一片e p r o m ，就可以省去译码电路，即 将片选信号直接接低电平就行。7 4 l s 3 7 3 作用是将低8 位地址锁存。起到让数 据线与地址线分离的目的。 最后，给出控制器及存储器具体连接电路，见图3 1 l 所示。 皿丛l ! 一x 盟4 l u m 等溢。 黧萎 图3 1 l 控制器及存始器电路 鹾蘸= 挚一芦 笫二帚系统耻件址小 3 5 逻辑驱动电路 ；篡蒹kstate*rst(3-2)wm zfw o r ks t a rstbw o r kst er s t 。 尸= p 陋 h =删 1 p 一逻辑输出的反转信号，高电平有效； b h 一逻辑输出的保护信号，低电平有效 p w m 一单片机输出的脉宽调制信号，且周期恒定： z f 一单片机输出的正反转信号，高电平表示正转，低电平表示反 转； w o r l 0 一外部输入的工作开启信号，高电平有效： s n 灯e 一单片机输出的电流状态信号，高电平表示币常，低电平表示 塑! ! 工些苎兰塑! 堕兰璺三! 至塾些! 兰壁生 异常： r s t 一外部的复位信号，低电平有效，且至少持续2 个状态周朋。 另外，为了防止柬自驱动部分的强信号干扰逻辑部分的弱信号，对逻辑输 出与驱动部分之间增加光耦隔离装置，考虑系统的实时性，选用了高速光隔器 件6 n 1 3 7 。下面以单余度为例给出逻辑处理电路，见图3 1 2 所示。 吐 载建 l n 们l k帕0 1 n21 0 2 i n31 03 i n5吣5 i n6l o6 l n71 07 m 瓣 图3 一1 2 逻辑处理电路 3 5 2 驱动处理及电路 在驱动功率m o s f e t 管方面，传统上采用由分离元件组成的t t l 电路、 c m o s 电路、线性运放电路或者混合电路来实现，但这些电路存在的问题是工 作频率上不去，开启和关断时间较长，而且元器件多、电路复杂可靠性也不 高，鉴于此本系统选用了专用集成驱动芯片i r 2 1 1 0 。下面详细地介绍下它的 功能结构、典型接法和工作原理，以及自举元件的选取和| r 2 1 1 0 在实际使用中 应注意事项等。 i r 2 1 1 0 是美国i r 公司推出的专用集成的自举式驱动芯片它的问世，使得 在驱动功率m o s f e t 管、i g b t 管，以及由它们构成的功率桥电路上容易丁许 多，尤其在电源变换、马达调速等驱动领域更是获得了广泛的应用。其主要原 困是：它响应快( 典型t 0 。t 。r r = 1 2 0 9 4 n s ) 、驱动能力强( i o + i o = 2 a v o = i o 2 0 v ) 、 集成度高( 可驱动同桥臂两路) 、体积小( d i p l 4 ) ，且内设欠压封锁和外有封 两北1 = 业人掌i ! ；1 1 论卫笫三章系统耻件醴汁 锁保护端口，以及外围器件少、电路简单，易于酾试，最后是其成本低廉。 i r 2 i l o 功能结构 i r 2 1 1 0 功能结构如下图3 一i3 所示。其中，它包括逻辑输入电路和电平转换 电路，及低、高压侧驱动输出电路几部分。逻辑输入电路可以接受两路( h l n 、 l 。) 独立的输入或者有偿驱动和预制死区时间的单个输人的t t l 或c m o s 电 平。因此，它适合与数字控制器或模拟控制器直接连接，逻辑电源v d d 和v s s 可以与芯片的工作电源v c c ，手地分别共用，也可以单独供电。 图3 1 3i r 2 1 1 0 功能结构图 而且当s d 输入端口为逻辑低电平时，封锁了芯片的整个输出，起到了保 护作用。电平转换电路负责将经过斯密特电路整形后的逻辑电平进行提升，以 增强内部的驱动能力。 低压侧驱动输出电路由2 个n 沟道的m o s f e t 管组成图腾柱型( 源极跟随器 作为电流源和电流输入的共同源) ，每个m o s f e t 管对栅极有01 2 a 2 a 的电流 拉、灌能力；l o 引脚与功率m o s f e t 管的栅极相连；低端m o s f e t 管的源极由 c o m 脚引出，因此功率m o s f e t 管的栅极驱动电流的返回源可直接与c o m 媚 连：并且v c c 有欠压封锁能力，典型值为8 6 ，82 v ，当欠压锁定被释放后，i “端 的任何脉冲都会饺功率m o s f e t 管在欠压释放时刻导通。 堕些! 些生竺些! 堡兰堡三至墨垄丝堡壁- ! 高压侧驱动输出电路在内部结构上被做进一个“隔离槽”内，它能相对与 功率地c o m 端，电压从5 0 0 v 6 0 0 v 浮动到负5 v ，这个槽在v s 电位上“浮动”， 它是由加于v b 脚的电压建立的，一般v s 脚连接在功率m o s f e t 管的源极：h o 引脚与功率m o s f e t 管的栅极相连。如果给v b 和v s n l ：1 一个隔离电源，h o 输出将 随h 输入变化。由于m o s f e t 管的栅极是容性输入特性，即它是通过给栅极提 供一定的电荷而使其导通，而不是提供连续电流，因此隔离电源可由一个电容 取代，称此电容为自举电容。在自举电容作用下，h o 以窄脉冲形式在h 【k 信号 的上升沿或下降沿输出，并被以浮动电位为参考电位的复位置位触发器锁定。 高压侧驱动输出也有欠眶封镇功能，当v 盯v s 两端的电压低于限定值典型值 为8 6 v 8 - 3 v ，它会关断栅极驱动输出。当欠压锁定释放后，h o 输出的第一个状 态将改变。 典型连接及工作原理 i r 2 1 1 0 典型连接电路如图3 1 4 所示。 1 5 _ 一l 一 ( 3 - 3 ) y 。一v f y k 其中，q l 。一般取5 n o 1 0 n o 电荷；v e t 取1 5 v ；、，f 为自举二极管正向压降， 取0 3 v ；v i 。为低压侧功率m o s f e t 管压降或高压端负载压降，取1 v 左右。 b ) 自举二极管的选取 在高压侧驱动功率m o s f e t 开通时，自举二极管必须能够阻止高压， 并且应是快恢复二极管，以减小自举电容向v c c 电源回馈电荷。若电容需 长时间储存电荷时，高温反向漏电流也是很重要的参数。二极管额定电流 为：2 q g f ：反向端承受电压为高压铡功率m o s f e t 管的端电压：快恢复 时间小于等于1 0 0 n s 。 c ) 栅极驱动电阻的影响及选驳 丐北t 业人半 血i 论文筘三带系统锉件砹汁 出于m o s f e t 管自身的结构是容性输入特性，因此，即使栅极所加电 压低于栅源恻最大额定电压( 通常最大为2 0 4 ) ，栅极连线的寄生电感和栅 极电容耦合也会产生使栅源恻氧化层毁坏的振荡电压；而且，由于米袖效 应( 在一个电子器件的输入和输出削由电容提供的个反馈现象) ，通过漏 栅间电容，还能把漏极电路顺变造成的过电压耦台过束。考虑以上原因， 常在栅极驱动时加一小电阻来抑制不希望的振荡而且栅极驱动电阻还可 以降低【r 2 1 1 0 中耗散的栅极驱动功率。栅极电阻的大小与工作频率f 有关， 工作频率愈高电阻应愈小。 简单的计算方法是：r ：上 ( 3 4 ) 2 q , ， 其中，v o 为h o 或l o 端的电压值。 实际应用中的注意事项 a ) 工作频率和p w m 占空比不宜太高，应保证自举电源正常工作； b ) 自举电容最好选用钽电容或陶瓷电容，且电容值一定要合适，过大有可 能损坏i c 芯片且它的选取应综合考虑工作频率与m o s f e t 管的具体 参数及负载性质： c ) 自举二极管尽量选用恢复时间更短的超快恢复二极管： d ) 栅极驱动电阻不能太小，防止栅源间电压出现振荡。损坏功率m