【正文】 量控制的 PMSM 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全數(shù)字化設(shè)計(jì)。數(shù)字信號(hào)處理可以說許多經(jīng)典的理論體系作為自己的理論基礎(chǔ)，同時(shí)又使自己成為一門新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。 數(shù)字信號(hào)處理器件是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)載體。 1980 年，日本 NEC 公司推出的 μPD7720 是第一個(gè)具有乘法器的商用 DSP 芯片。而在產(chǎn)品應(yīng)用上，目前重要的 DSP 應(yīng)用產(chǎn)品，如移動(dòng)電話、調(diào)制解調(diào)器等個(gè)人計(jì)算機(jī)與通訊領(lǐng) 域應(yīng)用產(chǎn)品，都是采用國(guó)際大廠的 DSP 解決方案 。兩種磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁力，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。電機(jī)的數(shù)學(xué)模型中含有時(shí)變參數(shù)，給分析和計(jì)算帶來(lái)困難。 永磁同步電動(dòng)機(jī)是系統(tǒng)的控制對(duì)象 ，有必要對(duì)進(jìn)行研究 。在 DSP 中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流全數(shù)字雙閉環(huán)控制，完成電流采樣、轉(zhuǎn)角及速度計(jì)算、 PARK 變換及逆變換、 CLARKE 變換和 PWM 控制信號(hào)的實(shí)時(shí)計(jì)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(shí)為了提高直流電壓利用率，改善電機(jī)的運(yùn)行特性，將電流控制器的輸出作為 SVPWM 模塊的輸人，結(jié)合由光電編碼器得到的電機(jī)旋轉(zhuǎn)電角度并經(jīng)過扇區(qū)判斷及占空比的實(shí)。TMS320LF2407 采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，具有高達(dá) 30MIPS 的數(shù)據(jù)處理能力以? ?dqqdpedqqsqqddsdddqfdddiinTpiRupiRuiLiL??????????????????????邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 及適合電機(jī)控制的外設(shè)資源，采用其全比較單元可生成 6 路 PWM 控制信號(hào)， 10 位 A／ D 轉(zhuǎn)換模塊可以完成電流信號(hào)采樣， CAP 捕獲單元、 QEP 正交編碼單元以及 SPI串行外設(shè)接口單元可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示，高速的數(shù)據(jù)處理能力、完備的外設(shè)資源大大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。 邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 (6)定子相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波為正弦型的，定子繞組的電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢(shì)，忽略磁場(chǎng)的高次諧波。永磁同步電機(jī)的定子與普通電勵(lì)磁同步電機(jī)的定子一樣有 A, B, C 三相對(duì)稱繞組，轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體，定子和轉(zhuǎn)子通過氣隙磁場(chǎng)存在電磁耦合關(guān)系。永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生恒定的電磁場(chǎng)。目前， DSP 處理器仍被 TI、 AGERE、邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 ADI 等 公司 占領(lǐng)，產(chǎn)品受外國(guó)大企業(yè)控制。 世界上第一個(gè)單片 DSP 芯片應(yīng)當(dāng)是 1978 年 AMI 公司發(fā)布的 S2811， 1979 年美國(guó) Intel 公司發(fā)布的商用可編程器件 2920 是 DSP 芯片的一個(gè)主要里程碑。支持并行處理指令等。例如，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域、微積分、概率統(tǒng)計(jì)、隨即過程、數(shù)值分析等都是數(shù)字信號(hào)處理的基本工具；同時(shí)與網(wǎng)絡(luò)理論、信號(hào)與系統(tǒng)、控制論、通信理論、故障診斷等學(xué)科也密切相關(guān)。因其卓越分辨率，高定位精度，寬調(diào)速范圍，低速穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)爬行現(xiàn)象，力矩波動(dòng)小，響應(yīng)速度快，峰值轉(zhuǎn)矩高，過載能力強(qiáng)，能承受頻繁起停、制 動(dòng)和正反轉(zhuǎn)，電機(jī)無(wú)電刷，可靠性高，可工作于惡劣的環(huán)境。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成 位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠 [14]。 3） 矩頻特性不同 步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在 300～ 600RPM。是步距角為 176。 、 176。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，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(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異。等效正弦脈寬調(diào)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(jīng)過濾波變成正弦交流電用來(lái)驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)。在電路圖中，按相序要求和頻率要求協(xié)調(diào)控制的三路正弦波信號(hào)，與等腰三角波發(fā)生器來(lái)的載波信號(hào)一同送入電壓比較器，產(chǎn)生三路 SPWM 波形，經(jīng)反相電路后，可得到六路 SPWM 信號(hào)，加在 Vl～ V6 六只功率晶體管的基極，作為驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。 SPWM 脈沖寬度由三角波和正弦波交點(diǎn)之間的距離決定，兩 者的交點(diǎn)隨正弦波電壓的大小而改變。逆變器的功率開關(guān)器件還可采用：可關(guān)斷晶閘管 GTO、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOSFET、絕緣門極晶體管 IGBT 等。調(diào)制方法很多，目前用得最多的是正弦脈寬調(diào)制。在交 — 直 — 交變頻中，根據(jù)中間直流電壓是否可調(diào)，可分為中間直流電壓可調(diào) 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(chǔ)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(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為電機(jī)提供頻率可變電源的變頻器。轉(zhuǎn)子的負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線間的夾角 θ 增大；當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小時(shí) θ 角減 小。但采用高剩磁感應(yīng)、高矯頑力的稀土類磁鐵材料后，電機(jī)在外形尺寸、質(zhì)量及轉(zhuǎn)子慣量方面都比直流電機(jī)大幅減小。目前交流伺服技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化的支撐性技術(shù)之一。 從 20 世紀(jì)開始一直到 1970 年代，是電動(dòng)機(jī)的成長(zhǎng)和成 熟期，有刷直流電機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等各種電機(jī)相繼誕生，半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)技術(shù)和電子控制概念引入，帶來(lái)變頻驅(qū)動(dòng)的實(shí)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(gè)電路在非 0V恒定電壓不能比較正弦波的情況?；旧舷瞬竭M(jìn)電機(jī)的低速振動(dòng)問題，使步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沒有噪聲。 調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)能夠減小低頻振動(dòng)，低速時(shí)繞組電流上升的前沿應(yīng)較平緩，這樣才能使轉(zhuǎn)子在到達(dá)新的穩(wěn)定平衡位置時(shí)不產(chǎn)生過沖。當(dāng)輸入端輸入脈沖， VF2 的柵極為高電平，則低壓管 VF2 導(dǎo)通。在相序輸入信號(hào)時(shí)，VT VT VT4 同時(shí)導(dǎo)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(cè)感生成一個(gè)電壓，使 VT3 導(dǎo)通， 80V的高壓經(jīng)高壓管 VT3 加到繞組 W 上，使電 流迅速上升，當(dāng) VT2 進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后， T1 一次側(cè)電流暫時(shí)恒定，無(wú)磁通量變化時(shí)，二次側(cè)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(jìn)電機(jī)的 ，每項(xiàng) 3 一組放大器驅(qū)動(dòng)。 CH250 也允許以 EN 端作脈沖 CP 的輸入端，此時(shí)，只有 CL 為低電平時(shí)，時(shí)鐘脈沖的下降才起作用。 CH250 是國(guó)產(chǎn)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)需要的脈沖序列來(lái)自插補(bǔ)器，但對(duì)于某個(gè)單軸坐標(biāo)，插補(bǔ)器只能按照一定線型，提供一個(gè)單序列脈沖。加減速電路就是為此而設(shè)置的。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，要做到這一點(diǎn)（即電機(jī)正在沿著某個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，在向相反的方向旋轉(zhuǎn)極個(gè)別步距角），必須首先是步進(jìn)電機(jī)從該旋轉(zhuǎn)方向靜止下來(lái)，然后才能向相反的方向旋轉(zhuǎn)，待旋轉(zhuǎn)極個(gè)別幾個(gè)步距角后 ，再恢復(fù)至原來(lái)的方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給。 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的基本要求：驅(qū)動(dòng)電源的相數(shù)、通電方式和電壓、電流都滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需要；要滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率的要求；能最大限度地抑制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振蕩；工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)；成本低、效率高、安裝和維護(hù)方便。步進(jìn)電機(jī)的步距角是反映步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。 脈沖的數(shù)量控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角；脈沖的頻率控制機(jī)的轉(zhuǎn)速；脈沖的通入次序控制電機(jī)的方向。 當(dāng) C相通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)鐵芯 CC 方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子沒逆時(shí)針方邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 ZNa 176?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)可以通過控制脈沖頻 率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。每輸入一個(gè)電脈沖， 電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 速度在很寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。 綜上所述，步進(jìn)電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都在各個(gè)領(lǐng)域有著很強(qiáng)大的占有空間，面對(duì)市場(chǎng)的需求以及伺服系統(tǒng)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)有著個(gè)字的特點(diǎn)，但哪種伺服系統(tǒng)能夠更優(yōu)越的應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床中。轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的總位移量則取決于總的脈沖信號(hào)數(shù)。同時(shí)，低速運(yùn)行時(shí)發(fā)熱比較嚴(yán)重，而低速運(yùn)行又往往是機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)經(jīng)常所處的運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)控機(jī)床中常用的驅(qū)動(dòng)元件 — 伺服電機(jī)： 1）直流伺服電機(jī)（調(diào)速性能良好） 2）交流伺服電機(jī)（主要使用的電機(jī)） 3）步進(jìn)電機(jī)（適于輕載、負(fù)荷變動(dòng)不大） 4） 直線電機(jī)（高速、高精度） 電機(jī)控制系統(tǒng)按照驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型主要分為直流傳動(dòng)系統(tǒng)和交流傳動(dòng)系統(tǒng) 以及步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 。 邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代 CNC 機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。 這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。速度檢測(cè)裝置：測(cè)速發(fā)電機(jī)、脈沖編碼器等。伺服系統(tǒng)的主要功能就是從數(shù)控系統(tǒng)接收微小的電控信號(hào)（ 5V左右， mA 級(jí)），放大成強(qiáng)電的驅(qū)動(dòng)信號(hào)（幾十、上百伏、安培級(jí)），用以驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 —— 伺服電動(dòng)機(jī)，將電控信號(hào)的變化，轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動(dòng)機(jī)床主體部件（如工作臺(tái)、主軸或刀具進(jìn)給等）運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床主體運(yùn)動(dòng)的速度控制和位置控制 ,達(dá)到加工出工件的外形和尺寸的最終目標(biāo) [3]。電機(jī)應(yīng)能承受頻繁的起動(dòng)制動(dòng)和反轉(zhuǎn)， 20 次 /min 以上。在高速時(shí)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(fù)載或切削條件發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)使進(jìn)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(dòng)機(jī)的輸出功率可比直流電動(dòng)機(jī)提高 10％～ 70％；其容量也可以比直流電動(dòng)機(jī)造得大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。數(shù)控技術(shù)是制造實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，集 成化的基礎(chǔ)，是提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率不可少的物資手段。我國(guó)經(jīng)濟(jì)全面與國(guó)際接軌，并逐步成為全球制造中心，我國(guó)企業(yè)廣泛應(yīng)用現(xiàn)代化數(shù)控技術(shù)參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。交流伺服電動(dòng)機(jī)沒有這些缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量比直流電動(dòng)機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。還要具有足夠的傳動(dòng)剛性和速度穩(wěn)定性。 調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。 進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個(gè)速度范圍內(nèi)都要保持這個(gè)轉(zhuǎn)矩；主軸邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 坐標(biāo)的伺服控制在低速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。進(jìn)給電機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過載能力，一般能過載 45 倍左右，持續(xù)時(shí)間達(dá) 10 分鐘以上，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小，滿足快速響應(yīng)的要求，一般進(jìn)給伺服電機(jī)做成細(xì)長(zhǎng)，高檔進(jìn)給具備 400rad/s2 以上的加速度，保證電機(jī)在 以內(nèi)從靜止起動(dòng)到 1500rad/min。伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或伺服單元。速度控制單元：用來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，是速度控制系統(tǒng)的核心。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。但可對(duì)這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。 圖 24 全閉環(huán)伺服系 邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第三章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案的選擇 伺服電動(dòng)機(jī)為數(shù)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(zhuǎn)子電阻隨溫度變化而影響磁場(chǎng)定向的準(zhǔn)確性。轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度主要取決于脈沖信號(hào)的頻率。 由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有上述特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在機(jī)械、治金、電力、紡織、電信、電子、儀表、化工、輕工、辦公自動(dòng)化設(shè)備、醫(yī)療、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工業(yè)等國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域。 指令脈沖數(shù)決定它的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，即角位移的大小，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)施加一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，稱為一步，每一步所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角；指令脈沖頻率決定它的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。轉(zhuǎn)子也隨著該 磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角” )，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。轉(zhuǎn)子 4 齒與 B相磁極對(duì)齊 3 兩齒與 A、 C兩磁極相對(duì)錯(cuò)開 30176。這樣，用不同的脈沖通入次序方式就可以實(shí)觀對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。 在步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力允許的情況下，這種線性關(guān)系不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的變化等因素而變化，所以可以在較寬的范圍內(nèi)，通過對(duì)指令脈沖頻率和數(shù)量的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)速度和位置的控制。 3．工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向的控制 步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序→步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)→工作臺(tái)的進(jìn)給方向步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路。在實(shí)際的機(jī)床進(jìn)給控制中，這些與某個(gè)進(jìn)給方向相反的個(gè)別脈沖的出現(xiàn)，意味著步進(jìn)電機(jī)正在沿著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，在反向的方向旋轉(zhuǎn)極個(gè)別幾個(gè)步距角。 為了保證步進(jìn)電機(jī)能夠正常、可靠地工作，上述躍變頻率必須首先進(jìn)行緩沖，使之變成符合進(jìn)電機(jī)加減速特性的脈沖頻率，然后再送入步進(jìn)電機(jī)的定子 繞組。 33 環(huán)形分配器 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是靠不停地改變各相繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)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(jìn)電機(jī)有幾相，就要為其提供幾個(gè)脈沖序列。觸發(fā)器工作的同步信號(hào)就是來(lái)自插補(bǔ)器的某個(gè)坐標(biāo)軸的位