闭环进给伺服系统和直流电机.doc

1、闭环进给伺服系统名词解释：它直接对工作台的实际位置进行检测，从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。但由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。因而，该系统对其组成环节的精度、刚性和动态特性等它直接对工作台的实际位置进行检测，从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。但由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。因而，该系统对其组成环

2、节的精度、刚性和动态特性等都有较高的要求，故价格昂贵。这类系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。 CNC 控制功能：CNC 能控制和能联动控制的进给轴数。CNC 的控制进给轴有：移动轴和回转轴；基本轴和附加轴。如 NC 车床：只要两轴联动，在具有多刀架的车床上则需要两轴以上的控制轴。 NC 镗铣床：加工中心等需要有 3 根或 3 根以上的控制制轴。联动控制轴数越多，CNC 系统就越复杂，编程也越困难。直 流 电 机 （ D.C.machine）编 辑 本 段 定 义定 义 输 出 或 输 入 为 直 流 电 能 的 旋 转 电 机 ， 称 为 直 流 电

3、机 ， 它 是 能 实 现 直流 电 能 和 机 械 能 互 相 转 换 的 电 机 。 当 它 作 电 动 机 运 行 时 是 直 流 电 动 机 ， 将电 能 转 换 为 机 械 能 ； 作 发 电 机 运 行 时 是 直 流 发 电 机 ， 将 机 械 能 转 换 为 电 能。 编 辑 本 段 直 流 电 机 的 结 构由 直 流 电 动 机 和 发 电 机 工 作 原 理 示 意 图 可 以 看 到 ， 直 流 电 机 的 结 构 应 由定 子 和 转 子 两 大 部 分 组 成 。 直 流 电 机 运 行 时 静 止 不 动 的 部 分 称 为 定 子 ， 定 子的 主 要 作 用

4、是 产 生 磁 场 ， 由 机 座 、 主 磁 极 、 换 向 极 、 端 盖 、 轴 承 和 电 刷 装置 等 组 成 。 运 行 时 转 动 的 部 分 称 为 转 子 ， 其 主 要 作 用 是 产 生 电 磁 转 矩 和 感 应电 动 势 ， 是 直 流 电 机 进 行 能 量 转 换 的 枢 纽 ， 所 以 通 常 又 称 为 电 枢 ， 由 转 轴 、电 枢 铁 心 、 电 枢 绕 组 、 换 向 器 和 风 扇 等 组 成 。1. 定 子（ 1） 主 磁 极主 磁 极 的 作 用 是 产 生 气 隙 磁 场 。 主 磁 极 由 主 磁 极 铁 心 和 励 磁 绕 组 两 部 分

5、组 成。 铁 心 一 般 用 0.5mm 1.5mm 厚 的 硅 钢 板 冲 片 叠 压 铆 紧 而 成 ， 分 为 极 身 和极 靴 两 部 分 ， 上 面 套 励 磁 绕 组 的 部 分 称 为 极 身 ， 下 面 扩 宽 的 部 分 称 为 极 靴 ，极 靴 宽 于 极 身 ， 既 可 以 调 整 气 隙 中 磁 场 的 分 布 ， 又 便 于 固 定 励 磁 绕 组 。 励 磁绕 组 用 绝 缘 铜 线 绕 制 而 成 ， 套 在 主 磁 极 铁 心 上 。 整 个 主 磁 极 用 螺 钉 固 定 在 机座 上 ，1换 向 器 2电 刷 装 置 3机 座 4主 磁 极 5换 向 极6端

6、 盖 7风 扇 8电 枢 绕 组 9电 枢 铁 心 2） 换 向 极换 向 极 的 作 用 是 改 善 换 向 ， 减 小 电 机 运 行 时 电 刷 与 换 向 器 之 间 可 能 产 生的 换 向 火 花 ， 一 般 装 在 两 个 相 邻 主 磁 极 之 间 ， 由 换 向 极 铁 心 和 换 向 极 绕 组 组成 ， 如 8.6 所 示 。 换 向 极 绕 组 用 绝 缘 导 线 绕 制 而 成 ， 套 在 换 向 极 铁 心 上 ， 换向 极 的 数 目 与 主 磁 极 相 等 。（ 3） 机 座电 机 定 子 的 外 壳 称 为 机 座 ， 见 图 8.4 中 的 3。 机 座 的

7、 作 用 有 两 个 ： 一 是用 来 固 定 主 磁 极 、 换 图 8.5 主 磁 极 的 结 构 向 极 和 端 盖 ， 并 起 整 个 电 机 的 支 撑 和 固 定 作 用 ； 1主 磁 极 2励 磁绕 组 3机 座 二 是 机 座 本 身 也 是 磁 路 的 一 部 分 ， 借 以 构 成 磁 极 之 间 磁 的 通 路 ， 磁 通 通过 的 部 分 称 为 磁 轭 。 为 保 证 机 座 具 有 足 够 的 机 械 强 度 和 良 好 的 导 磁 性 能 ， 一般 为 铸 钢 件 或 由 钢 板 焊 接 而 成 。 4） 电 刷 装 置电 刷 装 置 是 用 来 引 入 或 引

8、出 直 流 电 压 和 直 流 电 流 的 ， 如 图 8.7 所 示 。电 刷 装 置 由 电 刷 、 刷 握 、 刷 杆 和 刷 杆 座 等 组 成 。 电 刷 放 在 刷 握 内 ， 用 弹 簧 压紧 ， 使 电 刷 与 换 向 器 之 间 有 良 好 的 滑 动 接 触 ， 刷 握 固 定 在 刷 杆 上 ， 刷 杆 装 在圆 环 形 的 刷 杆 座 上 ， 相 互 之 间 必 须 绝 缘 。 刷 杆 座 装 在 端 盖 或 轴 承 内 盖 上 ， 圆周 位 置 可 以 调 整 ， 调 好 以 后 加 以 固 定 。图 1.6 换 向 极 图 1.7 电 刷 装 置 1换 向 极 铁

9、心 1刷 握 2电 刷 2换 向 极 绕 组 3压 紧 弹 簧 4刷 辫2. 转 子 (电 枢 )（ 1） 电 枢 铁 心 电 枢 铁 心 是 主 磁 路 的 主 要 部 分 ， 同 时 用 以 嵌 放 电 枢 绕 组 。 一 般 电 枢 铁 心采 用 由 0.5mm 厚 的 硅 钢 片 冲 制 而 成 的 冲 片 叠 压 而 成 (冲 片 的 形 状 如 图 8.8(a)所示 )， 以 降 低 电 机 运 行 时 电 枢 铁 心 中 产 生 的 涡 流 损 耗 和 磁 滞 损 耗 。 叠 成 的 铁 心固 定 在 转 轴 或 转 子 支 架 上 。 铁 心 的 外 圆 开 有 电 枢 槽 ，

10、 槽 内 嵌 放 电 枢 绕 组 。 （ 2） 电 枢 绕 组电 枢 绕 组 的 作 用 是 产 生 电 磁 转 矩 和 感 应 电 动 势 ， 是 直 流 电 机 进 行 能 量 变换 的 关 键 部 件 ， 所 以 叫 电 枢 。 它 是 由 许 多 线 圈 (以 下 称 元 件 )按 一 定 规 律 连接 而 成 ， 线 圈 采 用 高 强 度 漆 包 线 或 玻 璃 丝 包 扁 铜 线 绕 成 ， 不 同 线 圈 的 线 圈 边分 上 下 两 层 嵌 放 在 电 枢 槽 中 ， 线 圈 与 铁 心 之 间 以 及 上 、 下 两 层 线 圈 边 之 间 都必 须 妥 善 绝 缘 。 为

11、 防 止 离 心 力 将 线 圈 边 甩 出 槽 外 ， 槽 口 用 槽 楔 固 定 ， 如 图8.9 所 示 。 线 圈 伸 出 槽 外 的 端 接 部 分 用 热 固 性 无 纬 玻 璃 带 进 行 绑 扎 。（ 3） 换 向 器在 直 流 电 动 机 中 ， 换 向 器 配 以 电 刷 ， 能 将 外 加 直 流 电 源 转 换 为 电 枢 线 圈中 的 交 变 电 流 ， 使 电 磁 转 矩 的 方 向 恒 定 不 变 ； 在 直 流 发 电 机 中 ， 换 向 器 配 以电 刷 ， 能 将 电 枢 线 圈 中 感 应 产 生 的 交 变 电 动 势 转 换 为 正 、 负 电 刷 上

12、 引 出的 直 流 电 动 势 。 换 向 器 是 由 许 多 换 向 片 组 成 的 圆 柱 体 ， 换 向 片 之 间 用 云 母 片绝 缘 ， 换 向 图 8.9 电 枢 槽 的 结 构片 的 紧 固 通 常 如 图 8.10 所 示 ， 换 向 片 的 下 部 做 成 鸽 1槽 楔 2线圈 绝 缘 3电 枢 导 体尾 形 ， 两 端 用 钢 制 V 形 套 筒 和 V 形 云 母 环 固 定 ， 再 用 4层 间 绝 缘 5槽 绝 缘 6槽 底 绝 缘螺 母 锁 紧 。4） 转 轴转 轴 起 转 子 旋 转 的 支 撑 作 用 ， 需 有 一 定 的 机 械 强 度 和 刚 度 ， 一

13、 般 用 圆 钢 加 工而 成 。图 8.10 换 向 器 结 构 图 8.11 单 叠 绕 组 元 件1换 向 片 2连 接 部 分 1首 端 2末 端 3元 件 边 4端 接 部 分 5换 向 片 编 辑 本 段 直 流 电 机 的 可 逆 运 行 原 理一 台 直 流 电 机 原 则 上 既 可 以 作 为 电 动 机 运 行 ,也 可 以 作 为 发 电 机 运 行 ,这 种 原 理 在 电 机 理 论 中 称 为 可 逆 原 理 。 当 原 动 机 驱 动 电 枢 绕 组 在 主 磁 极 N、 S 之 间 旋 转 时 ， 电 枢 绕 组 上 感 生 出 电 动 势 ， 经 电 刷 、

14、 换 向 器 装 置 整 流 为 直流 后 ， 引 向 外 部 负 载 （ 或 电 网 ） ， 对 外 供 电 ， 此 时 电 机 作 直 流 发 电 机 运 行 。如 用 外 部 直 流 电 源 ， 经 电 刷 换 向 器 装 置 将 直 流 电 流 引 向 电 枢 绕 组 ， 则 此 电 流与 主 磁 极 N.S.产 生 的 磁 场 互 相 作 用 ， 产 生 转 矩 ， 驱 动 转 子 与 连 接 于 其 上 的 机械 负 载 工 作 ， 此 时 电 机 作 直 流 电 动 机 运 行 。 编 辑 本 段 直 流 电 机 的 分 类按 结 果 主 要 分 为 直 流 电 动 机 和 直

15、流 发 电 机按 类 型 主 要 分 为 直 流 有 刷 电 机 和 直 流 无 刷 电 机直 流 电 机 的 励 磁 方 式 是 指 对 励 磁 绕 组 如 何 供 电 、 产 生 励 磁 磁 通 势 而 建 立主 磁 场 的 问 题 。 根 据 励 磁 方 式 的 不 同 ， 直 流 电 机 可 分 为 下 列 几 种 类 型 。直 流 电 机 的 励 磁 方 式1 他 励 直 流 电 机励 磁 绕 组 与 电 枢 绕 组 无 联 接 关 系 ， 而 由 其 他 直 流 电 源 对 励 磁 绕 组 供 电 的直 流 电 机 称 为 他 励 直 流 电 机 ， 接 线 如 图 （ a） 所

16、示 。 图 中 M 表 示 电 动 机 ，若 为 发 电 机 ， 则 用 G 表 示 。 永 磁 直 流 电 机 也 可 看 作 他 励 直 流 电 机 。2 并 励 直 流 电 机并 励 直 流 电 机 的 励 磁 绕 组 与 电 枢 绕 组 相 并 联 ， 接 线 如 图 （ b） 所 示 。 作为 并 励 发 电 机 来 说 ， 是 电 机 本 身 发 出 来 的 端 电 压 为 励 磁 绕 组 供 电 ； 作 为 并 励电 动 机 来 说 ， 励 磁 绕 组 与 电 枢 共 用 同 一 电 源 ， 从 性 能 上 讲 与 他 励 直 流 电 动 机相 同 。3 串 励 直 流 电 机串

17、 励 直 流 电 机 的 励 磁 绕 组 与 电 枢 绕 组 串 联 后 ， 再 接 于 直 流 电 源 ， 接 线 如图 （ c） 所 示 。 这 种 直 流 电 机 的 励 磁 电 流 就 是 电 枢 电 流 。4 复 励 直 流 电 机复 励 直 流 电 机 有 并 励 和 串 励 两 个 励 磁 绕 组 ， 接 线 如 图 （ d） 所 示 。 若 串励 绕 组 产 生 的 磁 通 势 与 并 励 绕 组 产 生 的 磁 通 势 方 向 相 同 称 为 积 复 励 。 若 两 个磁 通 势 方 向 相 反 ， 则 称 为 差 复 励 。不 同 励 磁 方 式 的 直 流 电 机 有 着

18、 不 同 的 特 性 。 一 般 情 况 直 流 电 动 机 的 主 要励 磁 方 式 是 并 励 式 、 串 励 式 和 复 励 式 ， 直 流 发 电 机 的 主 要 励 磁 方 式 是 他 励 式、 并 励 式 和 和 复 励 式 。直 流 发 电 机直 流 发 电 机 是 把 机 械 能 转 化 为 直 流 电 能 的 机 器 。 它 主 要 作 为 直 流 电 动 机、 电 解 、 电 镀 、 电 冶 炼 、 充 电 及 交 流 发 电 机 的 励 磁 等 所 需 的 直 流 电 机 。 虽然 在 需 要 直 流 电 的 地 方 ， 也 用 电 力 整 流 元 件 ， 把 交 流 电

19、 变 成 直 流 电 ， 但 从 使用 方 便 、 运 行 的 可 靠 性 及 某 些 工 作 性 能 方 面 来 看 ， 交 流 电 整 流 还 不 能 和 直 流发 电 机 相 比 。 编 辑 本 段 直 流 电 机 铭 牌国 产 电 机 型 号 一 般 采 用 大 写 的 英 文 的 汉 语 拼 音 字 母 的 阿 拉 伯 数 字 表 示 ，其 格 式 为 ： 第 一 部 分 用 大 写 的 拼 音 字 母 表 示 产 品 代 号 ， 第 二 部 分 用 阿 拉 伯 数字 表 示 设 计 序 号 ， 第 三 部 分 用 阿 拉 伯 数 字 表 示 机 座 代 号 ， 第 四 部 分 用

20、阿 拉 伯数 字 表 示 电 枢 铁 心 长 度 代 号 。 以 Z2-92 为 例 ： Z 表 示 一 般 用 途 直 流 电 动 机 ； 2 表 示 设 计 序 号 ， 第 二次 改 型 设 计 ； 9 表 示 机 座 序 号 ； 2 电 枢 铁 心 长 度 符 号 。第 一 部 分 字 符 含 义 如 下 ：Z 系 列 ： 一 般 用 途 直 流 电 动 机 （ 如 Z2 Z3 Z4 等 系 列 ）ZY 系 列 ： 永 磁 直 流 电 机ZJ 系 列 ： 精 密 机 床 用 直 流 电 机ZT 系 列 ： 广 调 速 直 流 电 动 机ZQ 系 列 ： 直 流 牵 引 电 动 机ZH 系

21、 列 ： 船 用 直 流 电 动 机ZA 系 列 ： 防 爆 安 全 型 直 流 电 动 机ZKJ 系 列 ： 挖 掘 机 用 直 流 电 动 机ZZJ 系 列 ： 冶 金 起 重 机 用 直 流 电 动 机 编 辑 本 段 直 流 电 机 的 励 磁 方 式直 流 电 机 的 励 磁 方 式 是 指 对 励 磁 绕 组 如 何 供 电 、 产 生 励 磁 磁 通 势 而 建 立主 磁 场 的 问 题 。 根 据 励 磁 方 式 的 不 同 ， 直 流 电 机 可 分 为 下 列 几 种 类 型 。 直 流 电 机 的 励 磁 方 式1 他 励 直 流 电 机励 磁 绕 组 与 电 枢 绕 组

22、 无 联 接 关 系 ， 而 由 其 他 直 流 电 源 对 励 磁 绕 组 供 电 的直 流 电 机 称 为 他 励 直 流 电 机 ， 接 线 如 图 （ a） 所 示 。 图 中 M 表 示 电 动 机 ，若 为 发 电 机 ， 则 用 G 表 示 。 永 磁 直 流 电 机 也 可 看 作 他 励 直 流 电 机 。2 并 励 直 流 电 机并 励 直 流 电 机 的 励 磁 绕 组 与 电 枢 绕 组 相 并 联 ， 接 线 如 图 （ b） 所 示 。 作为 并 励 发 电 机 来 说 ， 是 电 机 本 身 发 出 来 的 端 电 压 为 励 磁 绕 组 供 电 ； 作 为 并

23、励电 动 机 来 说 ， 励 磁 绕 组 与 电 枢 共 用 同 一 电 源 ， 从 性 能 上 讲 与 他 励 直 流 电 动 机相 同 。3 串 励 直 流 电 机串 励 直 流 电 机 的 励 磁 绕 组 与 电 枢 绕 组 串 联 后 ， 再 接 于 直 流 电 源 ， 接 线 如图 （ c） 所 示 。 这 种 直 流 电 机 的 励 磁 电 流 就 是 电 枢 电 流 。4 复 励 直 流 电 机复 励 直 流 电 机 有 并 励 和 串 励 两 个 励 磁 绕 组 ， 接 线 如 图 （ d） 所 示 。 若 串励 绕 组 产 生 的 磁 通 势 与 并 励 绕 组 产 生 的

24、磁 通 势 方 向 相 同 称 为 积 复 励 。 若 两 个磁 通 势 方 向 相 反 ， 则 称 为 差 复 励 。不 同 励 磁 方 式 的 直 流 电 机 有 着 不 同 的 特 性 。 一 般 情 况 直 流 电 动 机 的 主 要励 磁 方 式 是 并 励 式 、 串 励 式 和 复 励 式 ， 直 流 发 电 机 的 主 要 励 磁 方 式 是 他 励 式、 并 励 式 和 和 复 励 式 。 编 辑 本 段 直 流 电 机 的 工 作 原 理一 、 直 流 发 电 机 工 作 原 理直 流 发 电 机 的 工 作 原 理 就 是 把 电 枢 线 圈 中 感 应 的 交 变 电

25、动 势 ， 靠 换 向 器配 合 电 刷 的 换 向 作 用 ， 使 之 从 电 刷 端 引 出 时 变 为 直 流 电 动 势 的 原 理 。感 应 电 动 势 的 方 向 按 右 手 定 则 确 定 （ 磁 感 线 指 向 手 心 ， 大 拇 指 指 向 导 体运 动 方 向 ， 其 他 四 指 的 指 向 就 是 导 体 中 感 应 电 动 势 的 方 向 。 ）在 图 1.1 所 示 瞬 间 ， 导 体 a b 、 c d 的 感 应 电 动 势 方 向 分 别 由 b 指向 a 和 由 d 指 向 c 。 这 时 电 刷 A 呈 正 极 性 ,电 刷 B 呈 负 极 性 。图 1.1

26、 直 流 发 电 机 原 理 模 型当 线 圈 逆 时 针 方 向 旋 转 180时 ， 这 时 导 体 c d 位 于 N 极 下 ， 导 体 a b 位 于 S 极 下 ， 各 导 体 中 电 动 势 都 分 别 改 变 了 方 向 。图 1.2 直 流 发 电 机 原 理 模 型从 图 看 出 ， 和 电 刷 A 接 触 的 导 体 永 远 位 于 N 极 下 ， 同 样 ， 和 电 刷 B接 触 的 导 体 永 远 位 于 S 极 下 。 因 此 ， 电 刷 A 始 终 有 正 极 性 ， 电 刷 B 始 终有 负 极 性 ， 所 以 电 刷 端 能 引 出 方 向 不 变 的 但 大

27、 小 变 化 的 脉 振 电 动 势 。 如 果 电枢 上 线 圈 数 增 多 ， 并 按 照 一 定 的 规 律 把 它 们 连 接 起 来 ， 可 使 脉 振 程 度 减 小 ，就 可 获 得 直 流 电 动 势 。 这 就 是 直 流 发 电 机 的 工 作 原 理 。 二 、 直 流 电 动 机 的 工 作 原 理导 体 受 力 的 方 向 用 左 手 定 则 确 定 。 这 一 对 电 磁 力 形 成 了 作 用 于 电 枢 一 个力 矩 ， 这 个 力 矩 在 旋 转 电 机 里 称 为 电 磁 转 矩 ， 转 矩 的 方 向 是 逆 时 针 方 向 ， 企图 使 电 枢 逆 时

28、针 方 向 转 动 。 如 果 此 电 磁 转 矩 能 够 克 服 电 枢 上 的 阻 转 矩 （ 例 如由 摩 擦 引 起 的 阻 转 矩 以 及 其 它 负 载 转 矩 ） ， 电 枢 就 能 按 逆 时 针 方 向 旋 转 起 来。图 1.3 直 流 电 动 机 的 原 理 模 型当 电 枢 转 了 180后 ， 导 体 cd 转 到 N 极 下 ， 导 体 ab 转 到 S 极 下 时 ，由 于 直 流 电 源 供 给 的 电 流 方 向 不 变 ， 仍 从 电 刷 A 流 入 ， 经 导 体 cd 、 ab 后 ， 从 电 刷 B 流 出 。 这 时 导 体 cd 受 力 方 向 变

29、 为 从 右 向 左 ， 导 体 ab 受 力方 向 是 从 左 向 右 ， 产 生 的 电 磁 转 矩 的 方 向 仍 为 逆 时 针 方 向 。图 1.4 直 流 电 动 机 原 理 模 型因 此 ， 电 枢 一 经 转 动 ， 由 于 换 向 器 配 合 电 刷 对 电 流 的 换 向 作 用 ， 直 流 电流 交 替 地 由 导 体 ab 和 cd 流 入 ， 使 线 圈 边 只 要 处 于 N 极 下 ， 其 中 通 过 电流 的 方 向 总 是 由 电 刷 A 流 入 的 方 向 ， 而 在 S 极 下 时 ， 总 是 从 电 刷 B 流 出的 方 向 。 这 就 保 证 了 每

30、个 极 下 线 圈 边 中 的 电 流 始 终 是 一 个 方 向 ， 从 而 形 成 一种 方 向 不 变 的 转 矩 ， 使 电 动 机 能 连 续 地 旋 转 。 这 就 是 直 流 电 动 机 的 工 作 原 理。永 磁 无 刷 直 流 电 机 控 制 器 设 计1 引 言随 着 人 们 生 活 水 平 的 提 高 ， 产 品 质 量 、 精 度 、 性 能 、 自 动 化 程 度 、 功 能以 及 功 耗 、 价 格 问 题 已 经 是 选 择 家 用 电 器 的 主 要 因 素 。 永 磁 无 刷 直 流 电 机 既具 有 交 流 伺 服 电 机 的 结 构 简 单 、 运 行 可

31、 靠 、 维 护 方 便 等 优 点 ， 又 具 备 直流 伺 服 电 机 那 样 良 好 的 调 速 特 性 而 无 机 械 式 换 向 器 ， 现 已 广 泛 应 用 于 各 种 调速 驱 动 场 合 。 MOTOROLA 第 二 代 电 机 控 制 专 用 芯 片 的 出 现 ， 给 永 磁 无 刷直 流 电 机 调 速 装 置 的 设 计 带 来 了 极 大 的 便 利 。 这 些 芯 片 控 制 功 能 强 ， 保 护 功能 完 善 ， 工 作 性 能 稳 定 ， 组 成 的 系 统 所 需 外 围 电 路 简 单 ， 抗 干 扰 能 力 强 ， 特别 适 用 于 工 作 环 境 恶

32、 劣 ， 对 控 制 器 体 积 ， 价 格 性 能 比 要 求 较 高 的 场 合 。2 控 制 器 结 构 与 原 理2.1 控 制 器 结 构MC33035 是 MOTORLORA 公 司 研 制 的 第 二 代 无 刷 直 流 电 机 控 制 专用 集 成 电 路 ， 加 上 1 片 MC3309 电 子 测 速 器 将 无 刷 直 流 电 动 机 的 转 子 位 置信 号 进 行 F/V 转 换 ， 形 成 转 速 反 馈 信 号 ， 即 可 构 成 转 速 闭 环 调 节 系 统 。 外接 6 个 功 率 开 关 器 件 组 成 三 相 逆 变 器 ， 就 可 驱 动 三 相 永

33、磁 无 刷 直 流 电 机 ，控 制 器 电 路 构 成 ， 如 图 1 所 示 ， 图 中 S1 控 制 电 机 转 向 ， S2 控 制 系 统起 停 ， S3 选 择 系 统 开 环 或 闭 环 运 行 ， S4 控 制 系 统 制 动 ， S5 选 择 转子 位 置 检 测 信 号 为 60或 120方 式 ， S6 控 制 系 统 的 复 位 。 电 位 器 RP1 用 以 设 定 所 需 电 机 转 速 ， 发 光 二 板 管 L1 用 作 故 障指 示 ， 当 出 现 不 正 常 的 位 置 检 测 信 号 、 主 电 路 过 流 、 3 种 欠 电 压 之 一（ 芯 片 电 压

34、 低 于 9.1V， 驱 动 电 路 电 压 低 于 9.1V， 基 准 电 压 低 于 4.5V） 、芯 片 内 部 过 热 、 起 停 端 低 电 平 时 ， L1 发 光 报 警 ， 同 时 自 动 封 锁 系 统 。 故 障排 除 后 ， 经 系 统 复 位 才 能 恢 复 正 常 工 作 。2.2 控 制 原 理从 电 机 转 子 位 置 检 测 器 送 来 的 三 相 位 置 检 测 信 号 （ SA,SB,SC） 一 方 面送 入 ) MC33035， 经 芯 片 内 部 译 码 电 路 结 合 正 反 转 控 制 端 、 起 停 控 制 端 、制 动 控 制 端 、 电 流 检

35、 测 端 等 控 制 逻 辑 信 号 状 态 ， 经 过 运 算 后 ， 产 生 逆 变 器 三相 上 、 下 桥 臂 开 关 器 件 的 6 路 原 始 控 制 信 号 ， 其 中 ， 三 相 下 桥 开 关 信 号 还 要按 无 刷 直 流 电 机 调 速 机 理 进 行 脉 宽 调 制 处 理 。 处 理 后 的 三 相 下 桥 PWM 控制 信 号 （ Ar ,Br, Cr） 经 过 驱 动 电 路 整 形 、 放 大 后 ， 施 加 到 逆 变 器 的 6 个开 关 管 上 ， 使 其 产 生 出 供 电 机 正 常 运 行 所 需 的 三 相 方 波 交 流 电 流 。另 一 方

36、面 ， 转 子 位 置 检 测 信 号 还 送 入 MC33039 经 F/V 转 换 ， 得 到一 个 频 率 与 电 机 转 速 成 正 比 的 脉 冲 信 号 FB。 FB 通 过 简 单 的 阻 容 网 络 滤波 后 形 成 转 速 反 馈 信 号 ， 利 用 MC33035 中 的 误 差 放 大 器 即 可 构 成 一 个 简单 的 P 调 节 器 ， 实 现 电 机 转 速 的 闭 环 控 制 ， 以 提 高 电 机 的 机 械 特 性 硬 度 。 实际 应 用 中 ， 还 可 外 接 各 种 PI, PD， 调 节 电 路 以 实 现 更 为 复 杂 的 闭 环 调 节 控制

37、。 3 芯 片 功 能3.1 MC33035 结 构 组 成 及 功 能其 主 要 组 成 部 分 包 括 ：（ 1 ） 转 子 位 置 传 感 器 译 码 电 路 ；（ 2 ） 带 温 度 补 偿 的 内 部 基 准 电 源 ；（ 3 ） 频 率 可 设 定 的 锯 齿 波 振 荡 器 ；（ 4 ） 误 差 放 大 器 ；（ 5） 脉 宽 调 制 （ PWM） 比 较 器 ；（ 6 ） 输 出 驱 动 电 路 ；（ 7 ） 欠 电 压 封 锁 保 护 芯 片 过 热 保 护 等 故 障 输 出 ；（ 8 ） 限 流 电 路 。该 集 成 电 路 的 典 型 控 制 功 能 包 括 PWM 开

38、 环 速 度 控 制 ， 使 能 控 制 （ 起动 或 停 止 ） ， 正 反 转 控 制 和 能 耗 制 动 控 制 ， 适 当 加 上 一 些 外 围 元 件 ， 可 实 现软 起 动 。3.1.1 转 子 位 置 传 感 器 译 码 电 路该 译 码 电 路 将 电 动 机 的 转 子 位 置 传 感 器 信 号 转 换 成 六 路 驱 动 输 出 信 号 ，三 路 上 侧 驱 动 输 出 和 三 路 下 侧 驱 动 输 出 。 它 适 合 于 集 电 极 开 路 的 霍 尔 集 成 电路 或 光 耦 合 电 路 等 传 感 器 。 输 入 端 脚 4、 5、 6 都 设 有 提 升 电

39、 阻 ， 输 入 电 路分 TTL 电 路 电 平 兼 容 ， 门 槛 电 压 为 2.2V。 该 集 成 电 路 适 用 于 传 感 器 相 位差 为 ,60、 120、 240、 300 四 种 情 况 的 三 相 无 刷 电 动 机 。 由 于 3 个 输入 逻 辑 信 号 ， 可 有 8 种 逻 辑 组 合 。 其 中 6 种 正 常 状 态 决 定 了 电 动 机 , 个 不 同 位 置 状 态 。 其 余 2 种 组 合 对 应 于 位 置 传 感 不 正 常 状 态 ， 即 3 个 信号 线 开 路 或 对 地 短 路 状 态 ， 此 时 脚 14 将 输 出 故 障 信 号 （

40、 低 电 平 ） 。用 脚 3 逻 辑 电 平 来 确 定 电 动 机 转 向 。 当 脚 3 逻 辑 状 态 改 变 时 ， 传 感器 信 号 在 译 码 器 内 将 原 来 的 逻 辑 状 态 改 变 成 非 ， 再 经 译 码 后 ， 得 到 反 相 序 的换 向 输 出 ， 使 电 动 机 反 转 。 电 动 机 的 起 停 控 制 由 脚 7 使 能 端 来 实 现 。 当 脚 7 悬 空 时 ， 内 部 有 电 流 源 使 驱 动 输 出 电 路 正 常 工 作 。 若 脚 7 接 地 ， 3 个上 侧 驱 动 输 出 开 路 （ 1 状 态 ） ， 3 个 下 侧 驱 动 输 出

41、 强 制 为 低 电 平 （ 0 状态 ） ， 使 电 动 机 失 去 激 励 而 停 车 ， 同 时 故 障 信 号 输 出 为 零 。当 加 到 脚 23 上 的 制 动 信 号 为 高 电 平 时 ， 电 动 机 进 行 制 动 操 作 。 它 使 3 个 上 侧 驱 动 输 出 开 路 ， 下 侧 3 个 驱 动 输 出 为 高 电 平 ， 外 接 逆 变 桥 下 侧 3 个 功 率 开 关 导 通 ， 使 电 动 机 3 个 绕 组 端 对 地 短 接 ， 实 现 能 耗 制 动 。 芯 片内 设 一 个 四 与 门 电 路 ， 其 输 入 端 是 脚 23 的 制 动 信 号 和

42、上 侧 驱 动 输 出 3 个 信 号 ， 它 的 作 用 是 等 待 3 个 上 侧 驱 动 输 出 确 实 已 转 变 为 高 电 平 状 态 后 ，才 允 许 3 个 下 侧 驱 动 输 出 变 为 高 电 平 状 态 ， 从 而 避 免 逆 变 桥 上 下 开 关 出 现同 时 导 通 的 危 险 ， 其 控 制 真 值 表 ， 如 表 1 示 。3.1.2 误 差 放 大 器该 芯 片 内 设 有 高 性 能 ， 全 补 偿 的 误 差 放 大 器 。 在 闭 环 速 度 控 制 时 ， 该 放大 器 的 直 流 电 压 增 益 为 80dB ， 增 益 带 宽 为 0.6MHz,输

43、 入 共 模 电 压 范 围 从地 到 VREF（ 典 型 值 为 6.25V ） ， 可 得 到 良 好 性 能 。 作 开 环 速 度 控 制 时 ，可 将 此 放 大 器 改 接 成 增 益 为 1 的 电 压 跟 随 器 ， 即 速 度 设 定 电 压 从 其 同 相 输入 端 脚 11 输 入 。 脚 12 13 短 接 。3.1.3 脉 宽 调 制 器除 非 由 于 过 电 流 或 故 障 状 态 使 6 个 驱 动 输 出 调 闭 锁 ， 在 正 常 情 况 下 ，误 差 放 大 器 输 出 与 振 荡 器 输 出 锯 齿 波 信 号 比 较 后 ， 产 生 脉 宽 调 制 （

44、PWM ） 信 号 ， 控 制 3 个 下 侧 驱 动 输 出 。 改 变 输 出 脉 冲 宽 度 ， 相 当 于 改 变 供 给 电动 机 绕 组 的 平 均 电 压 ， 从 而 控 制 其 转 速 和 转 矩 。 脉 宽 调 制 时 序 图 ， 如 图 3 示 。3.1.4 电 流 限 制外 接 逆 变 桥 经 一 电 阻 Rs 接 地 作 电 流 采 样 。 采 样 电 压 由 脚 9 和 脚 15 输 入 至 电 流 检 测 比 较 器 。 比 较 器 反 相 输 入 端 设 置 有 100mV 基 准 电 压 ，作 为 电 流 限 流 基 准 。 在 振 荡 器 锯 齿 波 上 升

45、时 间 内 ， 若 电 流 过 大 ， 此 比 较 器 翻转 ， 使 下 Rs 触 发 器 重 置 ， 将 驱 动 输 出 关 闭 ， 以 限 制 电 流 继 续 增 大 。 在 锯 齿波 下 降 时 间 ， 重 新 将 触 发 器 置 位 ， 使 驱 动 输 出 开 通 。 利 用 这 样 的 逐 个 周 期 电流 比 较 ， 实 现 了 限 流 ， 若 允 许 最 大 电 流 为 Imax ， 则 采 样 电 阻 按 下 式 选 择：Rs = 0.1/ Imax 为 了 避 免 由 换 相 尖 峰 脉 冲 引 起 电 流 检 测 误 动 作 ， 在 脚 9 输 入 前 可 设 置 RC 低

46、 通 滤 波 器 。3.2 MC33039 电 子 测 速 器MC33039 是 为 无 刷 直 流 电 动 机 闭 环 速 度 控 制 专 门 设 计 的 集 成 电 路 ， 系统 不 必 使 用 高 价 的 电 磁 式 或 光 电 测 速 机 ， 就 可 实 现 精 确 调 速 控 制 。 它 直 接 利用 三 相 无 刷 直 流 电 动 机 转 子 位 置 传 感 器 3 个 输 出 信 号 ， 经 F / V 变 换 成正 比 于 电 动 机 转 速 的 电 压 。从 MC33039 结 构 图 图 4 可 知 ， 脚 1 、 2、 3 接 收 位 置 传 感 器 3 个 信 号 ，

47、经 有 滞 后 的 缓 冲 电 路 ， 以 抑 制 输 入 噪 声 。 经 “或 ”运 算 得 到 相 当 于 电动 机 每 对 极 下 6 个 脉 冲 的 信 号 。 再 经 有 外 接 定 时 元 件 CT 和 Rr 的 单 稳态 电 路 ， 从 脚 5 输 出 的 fout 信 号 的占 空 比 与 电 动 机 转 速 有 关 ， 其 直 流 分 量 与 转 速 成 正 比 ， 此 信 号 在 外 接 低通 滤 波 器 处 理 后 ， 即 可 得 到 与 转 速 成 正 比 的 测 速 电 压 。 三 相 电 动 机 中 应 用 时的 波 形 图 中 ， fout 是 脚 5 输 出 ，

48、 Vout， （ AVG） 表 示 它 的 平 均 值 ， 即 直 流分 量 。 4 实 验 与 结 论为 了 更 好 的 验 证 前 面 理 论 的 可 行 性 及 安 全 性 ， 按 设 计 进 行 了 实 验 。4.1 准 备实 验 的 主 要 部 分 _ 控 制 电 路 ， 设 计 为 MC33035 和 MC33039 所 组 成 的 闭 环 系 统 。 由 于 实 验 条 件 的 限 制 ， 我 们 对 实 验 电 路 作 了 一 些必 要 的 调 整 ， 这 些 调 整 并 没 有 影 响 系 统 的 功 能 以 及 实 验 的 结 果 。首 先 要 作 调 整 的 是 电 源

49、。 试 验 中 选 用 的 电 机 是 三 相 六 极 电 机 ， n0 = 1500r/min, I0 = 10A, U0 = 50V 。 在 供 电 电 源 和 MC33035 的 脚 17 之 间 加 入 LM317 稳 压 三 端 以 保 证 MC33035 的 Vcc 在 许 可 的 范围 内 。 LM317 是 50V 输 入 、 15V 输 出 的 稳 压 三 端 。 它 的 基 本 电 路 结 构， 如 图 5 示 。其 次 ， 该 闭 环 速 度 控 制 系 统 中 ， 用 3 个 霍 尔 集 成 电 路 作 转 子 位 置 传 感器 。 用 MC33035 的 脚 8 参 考 电 压 （ 6.24V） 作 为 它 们 的 电 源 。 霍 尔 集 成 电 路 输 出 信 号 送 至 MC33039 和 MC33035。 实 验 中 的电 动 机 是 六 极 的 ， 从 MC33039 的 脚 5 输出 的 脉 冲 数 是 电 动 机 每 一 转 输 出 的 36 = 18 个 脉 冲 。 按 电 动 机 的 最高 转 速 来 选 择 定 时 元 件 。 实 验 中 电 动 机 的 最 高 转 速 为 1500r/min 即 1500/