【正文】 2 ) 、等待狀態(tài)寄存器 (WSGR )及看門(mén)狗寄存器 (WDCR )的設(shè)置。 圖 43 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖，軟件進(jìn)入循環(huán)等待。同時(shí)，當(dāng)中斷條件滿足時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。 45 永磁交流伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在硬件系統(tǒng)已經(jīng)確定的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣很大程度上就取決于軟件，控制軟件除了靈活性、可靠性和通用性之外，還要具有很好的實(shí)用性。本系統(tǒng)是一個(gè)速度和電流反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。由于這些原因，現(xiàn)代伺服控制器均采用了全數(shù)字化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，伺服控制系統(tǒng)的主要控制理論也采用了現(xiàn)代的矢量控制思想，它實(shí)現(xiàn)了電流矢量的幅值控制和相位控制。來(lái)控制轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制參數(shù)解耦，實(shí)現(xiàn)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的近似線性化控制。 采用磁場(chǎng)定向的控制策略 ，即控制直軸電流id為零 ，則永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為： （42） 由式(42)可見(jiàn) ，采用矢量控制策略實(shí)現(xiàn)了定子繞 組電流磁場(chǎng)分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦 ，這樣永磁同步 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩就正比于交軸電流。(3)轉(zhuǎn)子上沒(méi)有阻尼繞組。并且不要對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行繞組和坐標(biāo)變換，從而使得三相永磁同步電機(jī)的矢量控制要比三相異步電機(jī)的控制要簡(jiǎn)單。本章首先簡(jiǎn)要敘述了永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和主要分類，然后建立了在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，為對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制奠定了理論基礎(chǔ)。TI將常用的DSP芯片歸納為三大系列，即：TMS320C2000系列（包括TMS320C2X/C2XX）、TMS320C5000系列（包括TMS320C5X/C54X）、TMS320C6000系列（TMS320C62X/C67X）。適合數(shù)字信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)：DSP包含乘法器、累加器、特殊地址發(fā)生器、領(lǐng)開(kāi)銷循環(huán)等；提高處理速度的關(guān)鍵技術(shù)：流水線技術(shù)、并行處理技術(shù)、超常指令（VLIW）、超標(biāo)量技術(shù)、DMA等。一般采用哈佛結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)。后者數(shù)字信號(hào)處理器是用來(lái)完成數(shù)字信號(hào)處理要求的具有特殊結(jié)構(gòu)的一種微處理器。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。/10000=176。、176。、 176。37 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選定 步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)性能比較。輸入三相正弦信號(hào)相位相差120176。 圖 313 方波產(chǎn)生原理圖 圖314 正弦波—三角波調(diào)制其SPWMF發(fā)生器具體電路如圖315所示。正弦的正負(fù)半周均如此處理。SPWM交–直–交變壓變頻器的原理框圖如圖42所示。續(xù)流二極管D1~D6，為負(fù)載的滯后電流提供一條反饋到電源的通路，逆變管T1~ T6組成逆變橋，A、B、C為逆變橋的輸出端。這個(gè)脈動(dòng)交流電的基波就是所需的變頻電壓。這個(gè)最大限度的轉(zhuǎn)矩稱為最大同步轉(zhuǎn)矩，因此，使用永磁式同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不能大于最大同步轉(zhuǎn)矩。永磁式同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理。隨著電子電力等各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，在矢量控制算法方面的突破，原來(lái)一直困擾著交流電動(dòng)機(jī)的問(wèn)題得以解決，交流伺服發(fā)展地越來(lái)越快。在20世紀(jì)60年代，最早是直流電機(jī)作為主要執(zhí)行部件，在70年代以后，交流伺服電機(jī)的性價(jià)比不斷提高，逐漸取代直流電機(jī)成為伺服系統(tǒng)的主導(dǎo)執(zhí)行電機(jī)。光電開(kāi)關(guān)的限流電阻選為330Ω，因光電二極管的電流為10mA左右，壓降為2V左右，電源電壓在5V時(shí)限流電阻R=（5V2V）/=300Ω，選用330Ω的電阻滿足要求。步進(jìn)電機(jī)的使用性能和它的驅(qū)動(dòng)電源有著密切的關(guān)系步進(jìn)電機(jī)的恒流斬波驅(qū)動(dòng)技術(shù)從一定程度上解決了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行中的一些問(wèn)題如電源效率低、電流波形差等。細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的基本工作原理 ：對(duì)每一控制脈沖，細(xì)分使其電流逐步增加達(dá)到脈沖的最大電流，又逐步減少達(dá)到脈沖的最小電流，從而可實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)轉(zhuǎn)、控制、分辨，以及提高步進(jìn)精度。環(huán)形分配器輸出的脈沖作為輸入信號(hào)，若脈沖為正，則VT1和VT2導(dǎo)通，電壓U1加在電機(jī)繞組上使電流增加，當(dāng)電流增大至額定電流以上時(shí)，采樣電阻上的電壓增高，使控制門(mén)輸出反響信號(hào)，讓VT1截止，繞組上的電流由U2提供，電流逐漸降低，取樣電阻上的電壓降低，反饋回的信號(hào)使控制門(mén)輸出信號(hào)再一次反向，信號(hào)經(jīng)放大后促使VT1再次導(dǎo)通，如此循環(huán)往復(fù)，便在繞組上產(chǎn)生如圖37所示波形，電流在額定電流值上下波動(dòng)，呈鋸齒形，近似恒流所以叫做恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路。圖315（b）為采用單穩(wěn)觸發(fā)器組成的高低壓控制電路原理。其特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但串聯(lián)R2消耗能量降低放大功率；電感較大使電路對(duì)脈沖反應(yīng)較慢,輸出波形差。在實(shí)際的控制過(guò)程當(dāng)中，環(huán)形分配器的輸出信號(hào)很小，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組電流又很大。 （a） （b） 圖 34 CH250管腳圖及三相六拍接線圖J3r、J3L兩端子是三相雙三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端三相雙三拍工作時(shí)， 若J3r＝“1”， 而J3L＝“0”， 則電機(jī)正轉(zhuǎn)； 若J＝“0”， J3L＝“1”， 則電機(jī)反轉(zhuǎn)； 三相六拍供電時(shí)， 若J6r＝“1”， J6L＝“0”， 則電機(jī)正轉(zhuǎn)； 若J6r＝“0”， J6L＝“1”，電機(jī)反轉(zhuǎn)。硬件環(huán)行分配器的基本構(gòu)成是觸發(fā)器。功率放大器。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)加減速特性，進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)定子繞組的電平信號(hào)的頻率變化要平滑。無(wú)論是來(lái)自于數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)信號(hào)，還是各種類型的誤差補(bǔ)償信號(hào)，手動(dòng)進(jìn)給信號(hào)、手動(dòng)回原點(diǎn)信號(hào)，它的目的無(wú)非是使工作臺(tái)做正向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)或者是負(fù)向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，通過(guò)混合脈沖電路可以將上述各類型號(hào)混合為使工作臺(tái)正向進(jìn)給的“正向進(jìn)給”信號(hào)或者是使工作臺(tái)做負(fù)向運(yùn)動(dòng)的“負(fù)向進(jìn)給”信號(hào)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有自身的特點(diǎn)，歸納起來(lái)有： 1）可以用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)低； 2）位移與輸入脈沖信號(hào)樹(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單而又具有一定精度的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在要求高精度時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)；3）無(wú)刷，電動(dòng)機(jī)本體部件少，可靠性高；4）易于起動(dòng)，停止，正反轉(zhuǎn)及變轉(zhuǎn)；5）停止時(shí)，可以通電自鎖；6）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，同時(shí)用一臺(tái)控制器控制幾步電動(dòng)機(jī)，可使它們完全同步運(yùn)行；7）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶慣性負(fù)載能力差；8）由于存在失步和低頻共振，因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減方法根據(jù)利應(yīng)用狀態(tài)的不同而復(fù)雜化[6]。若通電脈沖次序?yàn)锳B、BC、CA、AB…，每次兩相同時(shí)通電，此為三相雙三拍，若按A、AB、B、BC、C、AB…此方式為三相六拍 [5]。即步距角為30176?，F(xiàn)以三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)圖示32為例說(shuō)明。 轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，只有均勻分布的40個(gè)齒，其大小和間距與定子上的完全相同，并與之相差1/3齒距。目前，我國(guó)使用的步進(jìn)電機(jī)多為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。由于所用的電源是脈沖電源，所以又稱為脈沖馬達(dá)。但每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差為零, 所以步距的誤差不積累。 與感應(yīng)電機(jī)相比，由于永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、效率高、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)矩電流比高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、易于散熱及維護(hù)保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)特別是隨著永磁材料價(jià)格的下降、材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出現(xiàn)，在中小功率、高精度、高可靠性、寬調(diào)速范圍的伺服系統(tǒng)中以永磁同步電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是越來(lái)越多，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步推廣，尤其在航空、航大、數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人等場(chǎng)合已獲得廣泛的應(yīng)用。而交流傳動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般采用感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)。從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖23所示，是從驅(qū)動(dòng)裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，不是直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。從內(nèi)部的實(shí)際工作來(lái)看，它是先把位置控制指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度信號(hào)后，通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移的。一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。本文設(shè)計(jì)的根據(jù)現(xiàn)代化發(fā)展的趨勢(shì)，通過(guò)各類伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的介紹，進(jìn)而用步進(jìn)電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行多反面比較，無(wú)論從起結(jié)構(gòu)方式，應(yīng)用范圍，得出交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)越性，進(jìn)而對(duì)交流伺服系統(tǒng)的典型系統(tǒng)（永磁同步伺服系統(tǒng)）進(jìn)行基于DSP的永磁同步伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)。二是連續(xù)的任意角度控制。一般數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍都在0～30m/min，高的可達(dá)240 m/min。 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。2）穩(wěn)定性好。為了獲得良好的主軸特性，主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用矢量變頻控制的交流主軸電動(dòng)機(jī)，矢量控制分無(wú)速度傳感器和有速度傳感器兩種方式，后者具有更高的速度控制精度，在數(shù)控車床中無(wú)速度傳感器的矢量變頻器已符合控制要求，而在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中一般都采用永磁同步電機(jī)，1964年德國(guó)人率先提出脈寬調(diào)制變頻思想，把通訊系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流變頻器。在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床里的一個(gè)非常重的部分，對(duì)于它的控制的好壞一定程度上反應(yīng)一個(gè)機(jī)床的控制柔性的程度。第1章 緒論11選題背景與意義數(shù)控技術(shù)也叫計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)（CNC，Compute Numerical Control），目前它是采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字程序控制的技術(shù)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制數(shù)控車床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，為車床主軸提供驅(qū)動(dòng)功率以及所需的切削力。調(diào)制方法很多，目前用得最多的是正弦脈寬調(diào)制[1]。 穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)。為了保證輪廓切削形狀精度和加工表面粗糙度，要求伺服系統(tǒng)除了要有較高的定位精度外，還要有良好的快速響應(yīng)特性，也就是要求伺服電動(dòng)機(jī)起、停的升降速過(guò)程要短，要有較高的加速度。 5）低速大轉(zhuǎn)矩。（作特殊加工時(shí)，主軸坐標(biāo)有了進(jìn)給坐標(biāo)的功能，稱為“C”軸控制。第二章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成和工作原理21伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。位置、速度和電流環(huán)均由：調(diào)節(jié)控制模塊、檢測(cè)和反饋部分組成。23數(shù)控伺服系統(tǒng)的分類數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)種類繁多，按照不同參照可分如下幾類1）按控制原理和有無(wú)位置反饋裝置分：開(kāi)環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)；2）按用途和功能分：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；3）按驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的動(dòng)作原理分：電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。具有很高的位置控制精度。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，特別是鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)一直是傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、效率較高，但存在著散熱和參數(shù)容易波動(dòng)等問(wèn)題。而步進(jìn)電機(jī)的伺服系統(tǒng)隨著新材料、新技術(shù)的發(fā)展及電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用, 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的研制和發(fā)展進(jìn)入了新階段。控制性能好。步進(jìn)電機(jī)用于與控制脈沖組成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中。通常步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。如圖31所示。當(dāng)A相通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)鐵芯AA方向產(chǎn)一磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子3齒與A相磁極對(duì)齊。反之則為順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。 步進(jìn)電機(jī)的主要特性。32 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的構(gòu)成1．工作臺(tái)位移量的控制進(jìn)給脈沖數(shù)N→定子繞組通電狀態(tài)變化次數(shù)N→步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角→工作臺(tái)位移量L。加減脈沖分配電路。而且應(yīng)有一定的時(shí)間常數(shù)。從環(huán)形分配器來(lái)的進(jìn)給控制信號(hào)的電流只有幾毫安，而步進(jìn)電機(jī)的定子繞組需要幾安倍電流。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)有幾相就需要幾個(gè)序列脈沖，所以步進(jìn)電機(jī)有幾相，就要設(shè)置幾個(gè)觸發(fā)器。R*是雙三拍的復(fù)位端，R是六拍的復(fù)位端，使用時(shí)，首先將其對(duì)應(yīng)復(fù)位端接入高電平，使其進(jìn)入工作狀態(tài)，然后換接到工作位置。所以需要進(jìn)行功率放大。主要用于轉(zhuǎn)速要求不高的小型步進(jìn)電機(jī)控制。當(dāng)輸入端為低電平時(shí)。為了使勵(lì)磁繞組中的電流維持在額定值附近，提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和效率，所以采用斬波驅(qū)動(dòng)電路。把額定電流分成n個(gè)極分別進(jìn)行通電，轉(zhuǎn)子就會(huì)以n個(gè)通電極別所決定的步數(shù)來(lái)完成原有一個(gè)步距角所轉(zhuǎn)過(guò)的角度，使原來(lái)的每個(gè)脈沖走過(guò)一個(gè)步距角，變成了每個(gè)脈沖走1/n個(gè)步距角，即把原來(lái)一個(gè)步距角細(xì)分成n份，從而提高了步進(jìn)電機(jī)的精度。斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制在成本、電路結(jié)構(gòu)、實(shí)用場(chǎng)所等方面綜合條件尤為優(yōu)秀。二極管D3起續(xù)流保護(hù)作用，IN5401最大能夠承受的正向電壓為100V，電流3A，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，所串電阻可以使電流下降更快，讓繞組后沿波形變陡，阻值越大，耗能越快，選用1K的電阻滿足設(shè)計(jì)要求，采樣電阻R7一般很小?？刂破鞯墓δ苁峭瓿伤欧到y(tǒng)的閉環(huán)控制，包括力矩、速度和位置等。交流伺服系統(tǒng)除了具有穩(wěn)定性好、快速性好、精度高的特點(diǎn)外，與直流伺服電機(jī)系統(tǒng)相比有一系列優(yōu)點(diǎn):交流電機(jī)不存在換向器圓周調(diào)速限制， 也不存在電樞元件中電抗電勢(shì)數(shù)值限制，其轉(zhuǎn)速限制可以設(shè)計(jì)得比相同功率的直流電機(jī)高；調(diào)速范圍寬，目前大多數(shù)的交流伺服電機(jī)的變速比可以達(dá)到 1:5000，高性能的伺服電機(jī)的變速比已達(dá) 1:10000 以上。交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是一個(gè)具有兩個(gè)極的永磁體(也可以是多極的)。2)交流電