【正文】 致力于在制造業(yè)中推廣開放、積木式結(jié)構(gòu)控制技術(shù)。 1O 多年來，這一技術(shù)己在計算機行業(yè)取得巨大成功。在開放式結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的指導(dǎo)下，計算機控制器完成了從造價昂貴的專業(yè)化大中型機到開放、積木式通 用個人計算機的變革，使計算機技術(shù)很快地進入到各行業(yè)的各個部門和家庭。這為發(fā)展開放式結(jié)構(gòu)的運動控制系統(tǒng)積累了經(jīng)驗，創(chuàng)造了良好的條件。 現(xiàn)代通訊和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)日新月異，并在人們的生活中占據(jù)越來越重要的位置。發(fā)展智能運動控制系統(tǒng)也將是我國 21 世紀(jì)的發(fā)展戰(zhàn)略。 運動控制器利用高性能微處理器及大規(guī)模可編程邏輯器件實現(xiàn)伺服電機的多軸協(xié)調(diào)控制，將實現(xiàn)運動控制的底層軟件和硬件集成在了一起，具有伺服電機控制所需的各種速度、位置控制功能。與傳統(tǒng)的數(shù)控裝置相比，運動控制器具有以下特點 : 技術(shù)更新。功能更加強大，可以實現(xiàn)多種運 動軌跡的控制。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計 伺服運動控制器的研制 2 結(jié)構(gòu)形式模塊化?？梢苑奖愕亟M合，建立適用于不同場合的控制系統(tǒng)。 操作簡單。在 PC 機上經(jīng)簡單編程即可實現(xiàn)運動控制，不需要專門的數(shù)控軟件。 以運動控制器作為獨立的標(biāo)準(zhǔn)部件可以明顯縮短新產(chǎn)品的研制開發(fā)周期，有利于使用者創(chuàng)造自己的品牌產(chǎn)品。目前，運動控制器的應(yīng)用日益廣泛，可以說只要有伺服電機應(yīng)用的場合就離不開運動控制器。運動控制器以其特有的靈活性和優(yōu)異的軌跡控制能力使許多工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備煥發(fā)出勃勃生機。尤其值得注意的是，運動控制器在隨動系統(tǒng)、伺服跟蹤平臺、天線穩(wěn)定平臺和火炮系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的用 途，對于我軍武器裝備的改造和研制具有重大的影響。因此，對運動控制器進行研究與開發(fā)具有重要的意義。 位置伺服系統(tǒng)的構(gòu)成 按伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)理論，機床伺服系統(tǒng)通?？煞譃殚_環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)沒有測量反饋環(huán)節(jié)。半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)有測量反饋環(huán)節(jié)，其中，半閉環(huán)系統(tǒng)只有安裝在絲杠或驅(qū)動電機轉(zhuǎn)軸上的測量元件，檢測與角位移有關(guān)的物理量，而閉環(huán)系統(tǒng)具有安裝在工作臺上的測量元件，可檢測與直線位移有關(guān)的物理量。開環(huán)系統(tǒng)沒有反饋信號，其精度差，而半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，可根據(jù)檢測器的反饋信號與指令信號的比較結(jié)果來進行速度和位置 控制，有較高的控制精度。由于絲杠和工作臺間傳動誤差的存在，半閉環(huán)系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但比閉環(huán)系統(tǒng)簡單，易調(diào)整。 數(shù)控系統(tǒng)和其他位置伺服系統(tǒng)一樣，是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，如圖卜 l 所示。內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，作為一個獨立的控制單元，它是由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)及功率驅(qū)動放大器等部分組成。速度控制單元的外環(huán)是位置環(huán)。位置伺服系統(tǒng)是由位置控制模塊、速度控制單元、位置反饋及檢測等部分構(gòu)成。其工作過程是，由 CNC 來的位置輸入指令與位置反饋裝置檢測出的進給坐標(biāo)的實際位移量進行比較，把比較得來的偏差信號，經(jīng)過位置控制裝置的運算 ，將結(jié)果輸出到 D／ A 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)伺服放大器放大后變成電壓信號，成為速度環(huán)給定信號，控制電機向消除偏差的方向旋轉(zhuǎn)，直到偏差為零時，電機停止運動，到達指定位置。這樣，進給坐標(biāo)的實際位置就能跟隨指令變化，構(gòu)成一個位置伺服系統(tǒng)。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計 伺服運動控制器的研制 3 伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程 （ 1） 直流伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動的電機類型分為直流（ DC）伺服系統(tǒng)和交流（ AC）伺服系統(tǒng)。 50 年代，無刷電機和直流電機實現(xiàn)了產(chǎn)品化，并在計算機外圍設(shè)備和機械設(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)用。 70年代則是直流伺服電機的應(yīng)用最為廣泛的時代。 （ 2）交流伺服系統(tǒng) 從 70 年代后期到 80 年代初期，隨著微處理器技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電機永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價格比的日益提高，交流伺服技術(shù) — 交流伺服電機和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。交流伺服驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。 交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動電動機的類型來分，主要有兩大類 :永磁同步（ SM 型）電動機交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步（ IM 型）電動機交流伺服系統(tǒng)。其中，永磁同步電動機交流伺服 系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于完全成熟，具備了十分優(yōu)良的低速性能，并可實現(xiàn)弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動的要求。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，其在工業(yè)生產(chǎn)自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來越廣泛，目前已成為交流伺服系統(tǒng)的主流。感應(yīng)式異步電動機交流伺服系統(tǒng)由于感應(yīng)式異步電動機結(jié)構(gòu)堅固，制造容易，價格低廉，因而具有很好的長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計 伺服運動控制器的研制 4 發(fā)展前景，代表了將來伺服技術(shù)的方向。但由于該系統(tǒng)采用矢量變換控制，相對永磁同步電動機伺服系統(tǒng)來說控制比較復(fù)雜，而且電機低速運行時還存在著效率低，發(fā)熱嚴(yán)重等有待克服的技術(shù)問題， 目前并未得到普遍應(yīng)用。 系統(tǒng)的執(zhí)行元件一般為普通三相鼠籠型異步電動機，功率變換器件通常采用智能功率模塊 IPM。為進一步提高系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能，可采用位置和速度閉環(huán)控制。三相交流電流的跟隨控制能有效地提高逆變器的電流響應(yīng)速度，并且能限制暫態(tài)電流，從而有利于 IPM 的安全工作。速度環(huán)和位置環(huán)可使用單片機控制，以使控制策略獲得更高的控制性能。電流調(diào)節(jié)器若為比例形式，三個交流電流環(huán)都用足夠大的比例調(diào)節(jié)器進行控制，其比例系數(shù)應(yīng)該在保證系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩的前提下盡量選大些，使被控異步電動機三相交流電流的幅值、相位和頻率緊隨 給定值快速變化，從而實現(xiàn)電壓型逆變器的快速電流控制。電流用比例調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單、電流跟隨性能好以及限制電動機起制動電流快速可靠等諸多優(yōu)點。 （ 3）交直流伺服系統(tǒng)的比較 直流伺服驅(qū)動技術(shù)受電機本身缺陷的影響，其發(fā)展受到了限制。直流伺服電機存在機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護工作量大等缺點，在運行過程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機械設(shè)備的精度，難以應(yīng)用到高速及大容量的場合，機械換向器則成為直流伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的瓶頸。 交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，特別是交流伺服電機的 過負荷特性和低慣性更體現(xiàn)出交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。所以交流伺服系統(tǒng)在工廠自動化（ FA）等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 從伺服驅(qū)動產(chǎn)品當(dāng)前的應(yīng)用來看，直流伺服產(chǎn)品正逐漸減少，交流伺服產(chǎn)品則日漸增加，市場占有率逐步擴大。在實際應(yīng)用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服產(chǎn)品已經(jīng)成為主流產(chǎn)品。 （ 4）伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 從前面的討論可以看出，數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣，用戶對伺服驅(qū)動技術(shù)的要求越來越高。 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 1. 交流化 伺服技術(shù)將繼續(xù)迅速地由 DC 伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向 AC 伺服系統(tǒng)。從目前 國際市場的情況看，幾乎所有的新產(chǎn)品都是 AC 伺服系統(tǒng)。在工業(yè)發(fā)達國家， AC伺服電機的 市場占有率已經(jīng)超過 80%。在國內(nèi)生產(chǎn) AC 伺服電機的廠家也越來越多，正在逐步地超長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計 伺服運動控制器的研制 5 過生產(chǎn) DC 伺服電機的廠家。可以預(yù)見，在不遠的將來，除了在某些微型電機領(lǐng)域之外， AC 伺服電機將完全取代 DC 伺服電機。 2. 全數(shù)字化 采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號處理機（ DSP）的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的實現(xiàn)，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統(tǒng)中 應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進算法（如 :最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等）成為可能。 3. 采用新型電力電子半導(dǎo)體器件 目前，伺服控制系統(tǒng)的輸出器件越來越多地采用開關(guān)頻率很高的新型功率半導(dǎo)體器件，主要有大功率晶體管（ GTR）、功率場效應(yīng)管（ MOSFET）和絕緣門極晶體管（ IGBT）等。這些先進器件的應(yīng)用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了運行噪聲。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關(guān)器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模 塊（ Intelligent Power Modules，簡稱 IPM）。這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊之中。其輸入邏輯電平與 TTL 信號完全兼容，與微處理器的輸出可以直接接口。它的應(yīng)用顯著地簡化了伺服單元的設(shè)計，并實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。 4. 高度集成化 新的伺服系統(tǒng)產(chǎn)品改變了將伺服系統(tǒng)劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個模塊的做法，代之以單一的、高度集成化、多功能的控制單元。同一個控制單元，只要通過軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，就可以改變其性能，既 可以使用電機本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。高度的集成化還顯著地縮小了整個控制系統(tǒng)的體積，使得伺服系統(tǒng)的安裝與調(diào)試工作都得到了簡化。 5. 智能化 智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢，伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為一種高級的工業(yè)控制裝置當(dāng)然也不例外。最新數(shù)字化的伺服控制單元通常都設(shè)計為智能型產(chǎn)品，它們的智能化特點表現(xiàn)在以下幾個方面 : 首先他們都具有參數(shù)記憶功能，系統(tǒng)的所有運行參數(shù)都可以通過人機對話的方長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計 伺服運動控制器的研制 6 式由軟件來設(shè)置，保存在伺服單元 內(nèi)部，通過通信接口，這些參數(shù)甚至可以在運行途中由上位計算機加以修改，應(yīng)用起來十分方便 。其次它們都具有故障自診斷與分析功能，無論什么時候，只要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會將故障的類型以及可能引起故障的原因通過用戶界面清楚地顯示出來，這就簡化了維修與調(diào)試的復(fù)雜性 。除以上特點之外，有的伺服系統(tǒng)還具有參數(shù)自整定的功能。眾所周知，閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定是保證系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，也是需要耗費較多時間與精力的工作。帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運行，自動將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來，并自動實現(xiàn)其最優(yōu)化。對于使用伺服單元的用戶來 說，這是新型伺服系統(tǒng)最具吸引力的特點之一。 6. 模塊化和網(wǎng)絡(luò)化 在國外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動化（ Factory Automation 簡稱 FA）工程技術(shù)在最近十年來得到了長足的發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢頭。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口（如 RS232Ｃ或 RS422 接口等）和專用的局域網(wǎng)接口。這些接口的設(shè)置，顯著地增強了伺服單元與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力，從而與 CNC 系統(tǒng)間的連接也由此變得十分簡單，只需要一根電纜或光纜，就可以將數(shù)臺，甚至數(shù)十臺伺服單元與上位 計算機連接成為整個數(shù)控系統(tǒng)。也可以通過串行接口，與可編程控制器（ PLC）的數(shù)控模塊相連。 綜上所述，伺服系統(tǒng)將向兩個方向發(fā)展。一個是滿足一般工業(yè)應(yīng)用要求，對性能指標(biāo)要求不高的應(yīng)用場合，追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅(qū)動產(chǎn)品，如變頻電機、變頻器等。另一個就是代表著伺服系統(tǒng)發(fā)展水平的主導(dǎo)產(chǎn)品 — 伺服電機、伺服控制器，追求高性能、高速度、數(shù)字化、智能型、網(wǎng)絡(luò)化的驅(qū)動控制，以滿足用戶較高的應(yīng)用要求。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計 伺服運動控制器的研制 7 第二章 永磁交 流 同步伺服電動機的工作原理及數(shù)學(xué) 模型 2． 1 永磁交流同步伺服電動機的結(jié)構(gòu) 在 數(shù)控機床中，交流伺服電機正在逐漸代替直流伺服電機，這是由于交流伺服電機本身結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，體積較小，重量較輕，沒有整流子機械換向，所以遠比直流伺服電機便于維護。特別是由于近年來大功率電子器件，以及用高速微處理器與功率電子器件相結(jié)合發(fā)展出來的大功率交流逆變技術(shù)，使其靜態(tài)與動態(tài)性能不僅已經(jīng)達到了直流伺服電機的水平，在有些方面，比如輸出轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性方面，甚至超過了直流伺服電機的水平。永磁式交流伺服電動機主要有三部分構(gòu)成，包括定子，轉(zhuǎn)子和檢測元件，如圖 21所示。轉(zhuǎn)子為勵 磁，定子為電樞。轉(zhuǎn)子上的永磁材料通常 采用鐵氧體或稀土材料制成，磁場強度高，矯頑磁力很強，而價格又比較適當(dāng)，可以有效的減少轉(zhuǎn)子的慣量，提高輸出轉(zhuǎn)矩和電機的功率比。由于轉(zhuǎn)子上沒有繞組，不通過電流，所以在運行時電機軸的溫度不會升高，這樣就避免了像直流伺服電機那樣，由于溫升引起與軸相連的減速器或滾珠絲杠的熱變形，從而影響機床精度的現(xiàn)象。電機內(nèi)部的發(fā)熱，只取決于定子電樞電流。由于定子鐵心直接暴露于外部空氣之中，其散熱條件較好，便于實現(xiàn)小型化。此外，由于在電機軸上沒有直流伺服電機的整流子和電刷，電機的軸向尺寸可以小一些。永磁同步型交流伺服電機內(nèi)部采用單一 的角度位置傳感器來連續(xù)檢測，并以檢測的結(jié)果為依據(jù)使三相電機電流實現(xiàn)正交控制。常用的檢測傳感器為光電脈沖編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器，除了完成轉(zhuǎn)子位置的檢測任務(wù)之外，傳感器通常還要負擔(dān)速度以