【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 量對(duì)稱的 PWM 波形。PWMPWMPWM6 是由 PWMPWMPWM5 通過(guò)非運(yùn)算得到的。生成 6 路 PWM 脈沖波形的仿真模型如圖 313 所示。圖 313 生成 PWM 仿真模型將以上各個(gè)子模塊整合搭建成完整的 SVPWM 系統(tǒng)，仿真模型如圖 314 所示。圖 314 SVPWM 整體仿真模型（7）PMSM 整體仿真模型借助 Matlab/Simulink 模塊庫(kù)提供的 Universal Bridge 逆變器模塊和 PermanentMagnet Synchronous Machine 電機(jī)模塊整合搭建的 PMSM 閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)如圖315 所示。圖 315 PMSM 整體仿真模型 控制模型仿真結(jié)果及分析對(duì)圖 315 所建立的控制模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，PMSM 相關(guān)仿真參數(shù)為：Pn=4，R= Ω ， ?f=，Ld=Lq=，J=，給定轉(zhuǎn)速為20 rmin1，Udc =300V，Ts=。仿真結(jié)果及分析如下：當(dāng)給予電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm =5N /m，信號(hào)為階躍信號(hào)時(shí)，在 t= 時(shí)電機(jī)啟動(dòng)后得到的三相電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波形如圖 316 (a)~(c)所示。從仿真得出的波形可以看出，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和三相電流在短時(shí)間內(nèi)即達(dá)到穩(wěn)定，說(shuō)明此控制系統(tǒng)響應(yīng)好，能平穩(wěn)運(yùn)行，符合伺服電機(jī)的控制要求。(a)(b)(c)圖 316 轉(zhuǎn)矩為階躍信號(hào)時(shí)三相電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速仿真波形（a） 三相電流 （b）轉(zhuǎn)矩 （c）轉(zhuǎn)速當(dāng)給予電機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)為斜坡信號(hào)、起始值為6 終止值為 6 時(shí)，電機(jī)三相電流、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的波形如圖 317(a)~(c)所示。從仿真結(jié)果可知，若給予電機(jī)的轉(zhuǎn)矩或控制信號(hào)越平穩(wěn)，過(guò)渡越好，電機(jī)的運(yùn)行將越穩(wěn)定可靠，因此電機(jī)的控制信號(hào)需要經(jīng)過(guò)PID 控制環(huán)調(diào)節(jié)。(a)(b)(c)圖 317 轉(zhuǎn)矩為斜坡信號(hào)時(shí)三相電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速仿真波形（a）三相電流 （b）轉(zhuǎn)矩 （c）轉(zhuǎn)速當(dāng)給予電機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)為正弦波信號(hào)，峰值為 6，頻率為 8rad/s 時(shí)，電機(jī)三相電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波形如圖 318(a)~(c)所示。雖然三相電流的幅值因?yàn)檎倚盘?hào)略有變化，但其相位角仍然滿足相差 120176。的要求。若給予電機(jī)的正弦波信號(hào)頻率過(guò)大或過(guò)小，電機(jī)三相電流不僅幅值相差很大，而且相位角也不能滿足要求，這對(duì)電機(jī)的傷害很大，控制效果也很不理想。(a)(b)(c)圖 318 轉(zhuǎn)矩為正弦波信號(hào)時(shí)三相電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速仿真波形（a）三相電流 （b）轉(zhuǎn)矩 （c）轉(zhuǎn)速第4章 線切割控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 基于 STM32 的總體硬件設(shè)計(jì)STM32 系列處理器是世界頂級(jí)的半導(dǎo)體廠商意法半導(dǎo)體（ST）公司于 2007 年 6月推出的一款基于 ARM 公司開(kāi)發(fā)的 CortexM3 內(nèi)核的微處理器。STM32 微處理器按性能分為兩個(gè)不同的系列：STM32F103“增強(qiáng)型”系列和 STM32F101“基本型”系列。STM32F103xx 增強(qiáng)型系列使用的內(nèi)核為高性能的 32 位 ARM CortexM3 內(nèi)核，其最大工作頻率為 72MHz，內(nèi)置豐富的增強(qiáng)型 I/O 端口，高速存儲(chǔ)器（20K 字節(jié)的 SRAM及 128K 字節(jié)的閃存）和聯(lián)接到兩條 APB(Advanced Peripheral Bus)總線的外設(shè)。完整的 STM32F103xx 增強(qiáng)型系列產(chǎn)品包括從 36 腳到 100 腳的五種封裝形式，所有型號(hào)的器件都含有通用 16 位定時(shí)器、12 位 ADC 和 PWM 定時(shí)器等功能模塊，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：USART 串口、USB、CAN 及 SPI 總線等。這些豐富的外設(shè)配置使得 STM32 系列微處理器適合于多種應(yīng)用場(chǎng)合：電機(jī)驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用控制、PC 外設(shè)與 GPS 平臺(tái)、醫(yī)療及手持設(shè)備、警報(bào)系統(tǒng)及其他工業(yè)應(yīng)用[19][29]。本文采用的微處理器是STM32的增強(qiáng)型系列——STM32F103C8T6。該型號(hào)在外設(shè)方面包含有三個(gè)16位的通用定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器都有4路通道，每個(gè)通道有三種工作模式可供選擇，即PWM控制模式、輸入捕獲模式和輸出比較模式；一個(gè)16位的高級(jí)定時(shí)器專門(mén)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)；一個(gè)12位逐次逼近型的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間最快為1微妙。另外通訊接口包括：兩個(gè)I2?C總線接口，支持芯片間數(shù)據(jù)的通訊與傳輸；兩個(gè)SPI通訊口，支持18MHz的主從控制模式；三個(gè)USART通訊口，支持全雙工數(shù)據(jù)交換，；一個(gè)CAN總線接口， (主動(dòng))，位速率達(dá)1兆位/秒，它可以接收和發(fā)送11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀，也可以接收和發(fā)送29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀。此外還有常用的USB接口。STM32F103C8T6為L(zhǎng)QFP48封裝，以它為核心處理器設(shè)計(jì)的總體硬件模塊如圖41所示。圖 41 主芯片總體硬件模塊設(shè)計(jì)TIM 定時(shí)器經(jīng)光隔器件輸出的 PWM 脈沖信號(hào)即可作為脈沖電源的初始信號(hào)，又可作為進(jìn)給系統(tǒng)中電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；GPIO 口作為普通的輸入輸出信號(hào)端將與鍵盤(pán)模塊通訊，同時(shí)控制顯示模塊指示電機(jī)或其他設(shè)備的工作狀態(tài)；通用 USART 同步/異步接受發(fā)送器將通過(guò) ST3232 串口轉(zhuǎn)換芯片與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通訊；CAN 協(xié)議控制器通過(guò) 82C250 接口芯片實(shí)現(xiàn)與 CAN 物理總線的通訊，可以與局域網(wǎng)內(nèi)各 CAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；ADC 通道采集電極絲上的電流經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過(guò)一定的運(yùn)算反饋給定時(shí)器模塊。下面將重點(diǎn)介紹幾個(gè)重要模塊的電路設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)。 各模塊硬件電路設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)的硬件電路采用 Protel 99SE 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。Protel 99SE 是ProklTechnology 公司開(kāi)發(fā)的基于 Windows 環(huán)境下的電路板設(shè)計(jì)軟件，該軟件功能強(qiáng)大，人機(jī)界面友好，易學(xué)易用，是業(yè)界人士首選的電路板設(shè)計(jì)工具。它由兩大部分組成：電路原理圖設(shè)計(jì)（Sch 文件）和多層印刷電路板設(shè)計(jì)（PCB 文件）。 主芯片電路板主芯片電路板主要包含了電源模塊和 JTAG 模塊的電路設(shè)計(jì)。電源電路如圖 42所示，LD11173V3 是個(gè)電壓轉(zhuǎn)換芯片，輸入 5V 輸出 給主芯片供電。如果外接電源是 12V 或 24V，也可以通過(guò)其他電壓轉(zhuǎn)換芯片降壓，輸出電路需要的電源。電路中的電容起濾波作用，濾除電路中的高頻交流電，選擇時(shí)需要考慮其耐壓值。LED燈指示電路 電源是否正常工作。圖 42 電源電路設(shè)計(jì)JTAG（Joint Test Action Group）模塊即程序燒錄端口，是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試，支持可編程芯片的在線系統(tǒng)編程。標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG接口是 4 線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。JTAG 電路設(shè)計(jì)圖如圖 43 所示，圖中的幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)都是主芯片內(nèi)部的 JTAG 接口，通過(guò)專用的下載線可以把編譯后的文件數(shù)據(jù)燒寫(xiě)到芯片的FLASH 或 RAM 中。圖 43 JTAG 模塊電路設(shè)計(jì)除了以上兩個(gè)主要模塊，再加上芯片外圍晶振、電容和跳線接口等器件便構(gòu)成了主芯片電路板的設(shè)計(jì)，其電路原理圖及 PCB 設(shè)計(jì)圖見(jiàn)附錄 B。主芯片電路板采用上下雙層板設(shè)計(jì)，其中跳線接口方便主芯片板與控制系統(tǒng)其他電路板進(jìn)行信號(hào)連接。 ARM—PWM 輸出主控板ARM—PWM 主控板通過(guò)跳線接口連接 ARM 主芯片板的所有控制輸入輸出口，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的互通。電路分模塊設(shè)計(jì)也提高了電路板的通用性。主控板包含脈沖輸出模塊、CAN 通訊模塊、串口通訊模塊、復(fù)位模塊、繼電器模塊、LCD 顯示模塊與按鍵模塊。下文將主要介紹前幾種關(guān)鍵模塊的電路設(shè)計(jì)。PWM 脈沖輸出的電路設(shè)計(jì)如圖 44 所示。PB0 口是主芯片的 TIM 定時(shí)器輸出口，能產(chǎn)生頻率和占空比變化的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)光隔放大器件 TLP250 輸出可直接控制IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，即絕緣柵雙極型晶體管）的通斷。TLP250主要用于 IGBT 或功率 MOSFET（金屬氧化層半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管）門(mén)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，其輸入電壓范圍在 1035V，輸入電流最大為 11mA，輸出電流最大為 ，轉(zhuǎn)換響應(yīng)時(shí)間只有 微妙。圖 44 PWM 脈沖輸出電路CAN 是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)的簡(jiǎn)稱，由德國(guó)著名的汽車(chē)電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)廠商 BOSCH 公司開(kāi)發(fā)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN 總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，這主要緣于 CAN 網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，另外它具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力使其廣泛應(yīng)用于環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)的工業(yè)環(huán)境。CAN 通訊模塊的電路設(shè)計(jì)如圖 45 所示。其中 PCA82C250 是 CAN 協(xié)議控制器和物理總線間的接口，它主要為汽車(chē)或嵌入式系統(tǒng)中高速通訊（高達(dá) 1Mbps）應(yīng)用而設(shè)計(jì)。此器件對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì) CAN 控制器提供差動(dòng)接受能力，而 CAN 控制器已集成于主芯片中。圖 45 CAN 通訊模塊電路串口通訊電路設(shè)計(jì)如圖 46 所示，其作用是實(shí)現(xiàn)主芯片與 PC 上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。串口通訊電路使用的標(biāo)準(zhǔn) RS232 接口驅(qū)動(dòng)器和接收器芯片是 ST 公司生產(chǎn)的ST3232。它的工作電壓為 ，是低功耗器件，速度高達(dá) 400kbps[30][31]。圖 46 串口通訊電路ARM—PWM 主控板的電路原理圖見(jiàn)附錄 B，它也是采用上下雙層板設(shè)計(jì)。電路板上方 24pins 的跳線端連接的是 LCD 液晶顯示器；中間兩個(gè)平行的 20pins 的單排跳線端連接主芯片板；左下角 20pins 的雙排直插標(biāo)準(zhǔn)跳線端輸出 PWM—IGBT 功率控制板的控制信號(hào)。 PWM—IGBT 功率控制板PWM—IGBT 功率控制板主要功能控制電極絲（鉬絲）電流的通斷，通過(guò)跳線連接經(jīng)光隔隔離器件輸出后的 PWM 脈沖信號(hào)，接入 IGBT 開(kāi)關(guān)的基極控制它的通斷。另外此功率控制板還有外接 100V 和 36