【正文】 量控制的 PMSM 交流伺服驅動系統(tǒng)的全數字化設計。數字信號處理可以說許多經典的理論體系作為自己的理論基礎，同時又使自己成為一門新興學科的理論基礎。 數字信號處理器件是數字信號處理技術的具體實現載體。 1980 年，日本 NEC 公司推出的 μPD7720 是第一個具有乘法器的商用 DSP 芯片。而在產品應用上，目前重要的 DSP 應用產品，如移動電話、調制解調器等個人計算機與通訊領 域應用產品，都是采用國際大廠的 DSP 解決方案 。兩種磁場相互作用產生的電磁力，推動轉子旋轉。電機的數學模型中含有時變參數，給分析和計算帶來困難。 永磁同步電動機是系統(tǒng)的控制對象 ，有必要對進行研究 。在 DSP 中實現轉速、電流全數字雙閉環(huán)控制，完成電流采樣、轉角及速度計算、 PARK 變換及逆變換、 CLARKE 變換和 PWM 控制信號的實時計算以及參量顯示等功能。系統(tǒng)的速度環(huán)和電流環(huán)采用 PI 控制算法，同時為了提高直流電壓利用率，改善電機的運行特性，將電流控制器的輸出作為 SVPWM 模塊的輸人，結合由光電編碼器得到的電機旋轉電角度并經過扇區(qū)判斷及占空比的實。TMS320LF2407 采用高性能靜態(tài) CMOS 技術，具有高達 30MIPS 的數據處理能力以? ?dqqdpedqqsqqddsdddqfdddiinTpiRupiRuiLiL??????????????????????邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 35 及適合電機控制的外設資源，采用其全比較單元可生成 6 路 PWM 控制信號， 10 位 A／ D 轉換模塊可以完成電流信號采樣， CAP 捕獲單元、 QEP 正交編碼單元以及 SPI串行外設接口單元可實現對轉速的實時計算和顯示，高速的數據處理能力、完備的外設資源大大地簡化了系統(tǒng)的硬件設計。 邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 34 (6)定子相繞組的感應電動勢波為正弦型的，定子繞組的電流在氣隙中只產生正弦分布的磁勢，忽略磁場的高次諧波。永磁同步電機的定子與普通電勵磁同步電機的定子一樣有 A, B, C 三相對稱繞組，轉子上安裝有永磁體，定子和轉子通過氣隙磁場存在電磁耦合關系。永磁體轉子產生恒定的電磁場。目前， DSP 處理器仍被 TI、 AGERE、邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 33 ADI 等 公司 占領，產品受外國大企業(yè)控制。 世界上第一個單片 DSP 芯片應當是 1978 年 AMI 公司發(fā)布的 S2811， 1979 年美國 Intel 公司發(fā)布的商用可編程器件 2920 是 DSP 芯片的一個主要里程碑。支持并行處理指令等。例如，在數學領域、微積分、概率統(tǒng)計、隨即過程、數值分析等都是數字信號處理的基本工具；同時與網絡理論、信號與系統(tǒng)、控制論、通信理論、故障診斷等學科也密切相關。因其卓越分辨率，高定位精度，寬調速范圍，低速穩(wěn)定運行，無爬行現象，力矩波動小，響應速度快，峰值轉矩高，過載能力強，能承受頻繁起停、制 動和正反轉，電機無電刷，可靠性高，可工作于惡劣的環(huán)境。交流伺服驅動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成 位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠 [14]。 3） 矩頻特性不同 步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在 300～ 600RPM。是步距角為 176。 、 176。如四通公司生產的一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距 角為 176。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。等效正弦脈寬調制波 UA、 UB、 UC 送入 GRT 的基極，則逆變器輸出脈寬按正弦規(guī)律變化的等效矩形電壓波，經過濾波變成正弦交流電用來驅動交流伺服電機。在電路圖中，按相序要求和頻率要求協(xié)調控制的三路正弦波信號，與等腰三角波發(fā)生器來的載波信號一同送入電壓比較器，產生三路 SPWM 波形，經反相電路后，可得到六路 SPWM 信號，加在 Vl～ V6 六只功率晶體管的基極，作為驅動控制信號。 SPWM 脈沖寬度由三角波和正弦波交點之間的距離決定，兩 者的交點隨正弦波電壓的大小而改變。逆變器的功率開關器件還可采用：可關斷晶閘管 GTO、功率場效應晶體管 MOSFET、絕緣門極晶體管 IGBT 等。調制方法很多，目前用得最多的是正弦脈寬調制。在交 — 直 — 交變頻中，根據中間直流電壓是否可調，可分為中間直流電壓可調 PWM 逆變器和中間直流電壓固定的 PWM 逆變器；中間直流電路上的儲能元件是大電容還是大電感，可分為電壓型逆變器和電流型逆 變器。 變頻調速的主要環(huán)節(jié)是為電機提供頻率可變電源的變頻器。轉子的負載轉矩增大時，定子磁極軸線與轉子磁極軸線間的夾角 θ 增大；當負載轉矩減小時 θ 角減 小。但采用高剩磁感應、高矯頑力的稀土類磁鐵材料后，電機在外形尺寸、質量及轉子慣量方面都比直流電機大幅減小。目前交流伺服技術已成為工業(yè)自動化的支撐性技術之一。 從 20 世紀開始一直到 1970 年代，是電動機的成長和成 熟期，有刷直流電機、感應電動機、同步電動機和步進電動機等各種電機相繼誕生，半導體驅動技術和電子控制概念引入，帶來變頻驅動的實用化。電壓比較器 TLC372 是單通道的比較器， 該電路克服了上一個電路在非 0V恒定電壓不能比較正弦波的情況。基本上消除了步進電機的低速振動問題，使步進電機低速運轉平穩(wěn)，沒有噪聲。 調頻調壓驅動能夠減小低頻振動，低速時繞組電流上升的前沿應較平緩，這樣才能使轉子在到達新的穩(wěn)定平衡位置時不產生過沖。當輸入端輸入脈沖， VF2 的柵極為高電平，則低壓管 VF2 導通。在相序輸入信號時，VT VT VT4 同時導通，在 VT2 從截止到飽和期間，其集成電極電流，也就是脈沖變壓 TI 的一次電流急劇 增加，在變壓器二次側感生成一個電壓，使 VT3 導通， 80V的高壓經高壓管 VT3 加到繞組 W 上，使電 流迅速上升，當 VT2 進入穩(wěn)定狀態(tài)后， T1 一次側電流暫時恒定，無磁通量變化時，二次側感電壓為零， VT3 截止。 1）單電壓功率放大電路 圖 35 單電壓功率放大電路 圖 35 為單電壓功率放大器，圖中 A、 B、 C分別為步進電機的 ，每項 3 一組放大器驅動。 CH250 也允許以 EN 端作脈沖 CP 的輸入端，此時，只有 CL 為低電平時，時鐘脈沖的下降才起作用。 CH250 是國產三相反應式步進電機環(huán)形分配器專用集成電路芯片，通過控制端的不同接法可組成三相雙三拍和三相六拍的工作方式。步進電機需要的脈沖序列來自插補器，但對于某個單軸坐標，插補器只能按照一定線型，提供一個單序列脈沖。加減速電路就是為此而設置的。根據步進電機的工作原理，要做到這一點（即電機正在沿著某個方向旋轉時，在向相反的方向旋轉極個別步距角），必須首先是步進電機從該旋轉方向靜止下來，然后才能向相反的方向旋轉，待旋轉極個別幾個步距角后 ，再恢復至原來的方向繼續(xù)旋轉進給。 伺服驅動系統(tǒng)對驅動電源的基本要求：驅動電源的相數、通電方式和電壓、電流都滿足步進電動機的需要；要滿足步進電動機的起動頻率和運行頻率的要求；能最大限度地抑制步進電動機的振蕩；工作可靠，抗干擾能力強；成本低、效率高、安裝和維護方便。步進電機的步距角是反映步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉子轉過的角度。 脈沖的數量控制電機的轉角；脈沖的頻率控制機的轉速；脈沖的通入次序控制電機的方向。 當 C相通電時，電動機鐵芯 CC 方向產生磁通，在磁拉力作用下，轉子沒逆時針方邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 10 ZNa 176。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻 率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。每輸入一個電脈沖， 電動機 轉動一個角度前進一步。只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進電動機的旋轉邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 9 速度在很寬的范圍內連續(xù)調節(jié)。 綜上所述，步進電機的伺服驅動系統(tǒng)和交流伺服驅動系統(tǒng)都在各個領域有著很強大的占有空間，面對市場的需求以及伺服系統(tǒng)的發(fā)展，步進電機和交流伺服電機有著個字的特點，但哪種伺服系統(tǒng)能夠更優(yōu)越的應用在數控機床中。轉子運動的總位移量則取決于總的脈沖信號數。同時，低速運行時發(fā)熱比較嚴重，而低速運行又往往是機床進給機構經常所處的運行狀態(tài)。數控機床中常用的驅動元件 — 伺服電機： 1）直流伺服電機（調速性能良好） 2）交流伺服電機（主要使用的電機） 3）步進電機（適于輕載、負荷變動不大） 4） 直線電機（高速、高精度） 電機控制系統(tǒng)按照驅動電機的類型主要分為直流傳動系統(tǒng)和交流傳動系統(tǒng) 以及步進電機伺服驅動系統(tǒng) 。 邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 6 半閉環(huán)數控系統(tǒng)結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現代 CNC 機床中得到了廣泛應用。 這類系統(tǒng)具有結構簡單、工作穩(wěn)定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。速度檢測裝置：測速發(fā)電機、脈沖編碼器等。伺服系統(tǒng)的主要功能就是從數控系統(tǒng)接收微小的電控信號（ 5V左右， mA 級），放大成強電的驅動信號（幾十、上百伏、安培級），用以驅動伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 —— 伺服電動機，將電控信號的變化，轉換成電動機輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動機床主體部件（如工作臺、主軸或刀具進給等）運動，實現對機床主體運動的速度控制和位置控制 ,達到加工出工件的外形和尺寸的最終目標 [3]。電機應能承受頻繁的起動制動和反轉， 20 次 /min 以上。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。 0～ 24m / min[2] 。也就是說伺服系統(tǒng)在負載或切削條件發(fā)生變化時，應使進給速度保持恒定。包括定位精度和輪廓加工精度。另外在同樣體積下，交流電動機的輸出功率可比直流電動機提高 10％～ 70％；其容量也可以比直流電動機造得大，達到更高的電壓和轉速。數控技術是制造實現自動化，集 成化的基礎，是提高產品質量，提高勞動生產率不可少的物資手段。我國經濟全面與國際接軌，并逐步成為全球制造中心，我國企業(yè)廣泛應用現代化數控技術參與國際競爭。交流伺服電動機沒有這些缺點，且轉子慣量比直流電動機小，使得動態(tài)響應好。 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現輸入量的精確程度。還要具有足夠的傳動剛性和速度穩(wěn)定性。 調速范圍是指生產機械要求電機能提供的最高轉速和最低轉速之比。 進給坐標的伺服控制屬于恒轉矩控制，在整個速度范圍內都要保持這個轉矩；主軸邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 3 坐標的伺服控制在低速時為恒轉矩控制，能提供較大轉矩。進給電機應具有大的較長時間的過載能力，一般能過載 45 倍左右，持續(xù)時間達 10 分鐘以上，轉動慣量要小，滿足快速響應的要求，一般進給伺服電機做成細長，高檔進給具備 400rad/s2 以上的加速度，保證電機在 以內從靜止起動到 1500rad/min。伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、 驅動系統(tǒng)或伺服單元。速度控制單元：用來控制電機轉速，是速度控制系統(tǒng)的核心。一般以功率步進電機作為伺服驅動元件。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。 圖 24 全閉環(huán)伺服系 邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 7 第三章 伺服驅動系統(tǒng)方案的選擇 伺服電動機為數控伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是速度和軌跡控制的執(zhí)行元件。轉子電阻隨溫度變化而影響磁場定向的準確性。轉子運動的速度主要取決于脈沖信號的頻率。 由于步進電動機有上述特點和優(yōu)點而廣泛應用在機械、治金、電力、紡織、電信、電子、儀表、化工、輕工、辦公自動化設備、醫(yī)療、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工業(yè)等國防工業(yè)等領域。 指令脈沖數決定它的轉動步數，即角位移的大小，對步進電動機施加一個電脈沖信號時，步進電動機就旋轉一個固定的角度，稱為一步，每一步所轉過的角度稱為步距角；指令脈沖頻率決定它的轉動速度。轉子也隨著該 磁場轉一個角度。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角” )，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。轉子 4 齒與 B相磁極對齊 3 兩齒與 A、 C兩磁極相對錯開 30176。這樣，用不同的脈沖通入次序方式就可以實觀對步進電動機的控制。 在步進電機負載能力允許的情況下，這種線性關系不會因為負載的變化等因素而變化，所以可以在較寬的范圍內，通過對指令脈沖頻率和數量的控制，實現對機床運動速度和位置的控制。 3．工作臺運動方向的控制 步進電機定子繞組的通電順序→步進電機正轉或反轉→工作臺的進給方向步進電機的驅動控制線路。在實際的機床進給控制中，這些與某個進給方向相反的個別脈沖的出現，意味著步進電機正在沿著一個方向旋轉時，在反向的方向旋轉極個別幾個步距角。 為了保證步進電機能夠正常、可靠地工作，上述躍變頻率必須首先進行緩沖，使之變成符合進電機加減速特性的脈沖頻率，然后再送入步進電機的定子 繞組。 33 環(huán)形分配器 步進電機的轉動是靠不停地改變各相繞組的通電順序實現的，若想讓某相繞組通電，就要給某相繞組提供一組序列脈沖，因此步進電機有幾相，就要為其提供幾個脈沖序列。觸發(fā)器工作的同步信號就是來自插補器的某個坐標軸的位