【文章內(nèi)容簡介】 、的分配過程，其實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)了對方向的控制；最后把大小和方向的數(shù)字指令，通過DA芯片轉(zhuǎn)換和主電路的線性放大，使輸出的三相電流、完全跟蹤、也就最終實(shí)現(xiàn)了對大小及方向控制的目的。其控制原理如圖24所示。圖24 控制系統(tǒng)原理圖在此系統(tǒng)中，我們采用線性放大電路來代替三相PWM逆變器，以提高系統(tǒng)精度，后面一章將對線性放大電路的特點(diǎn)和主要性能做出詳細(xì)的分析。3 線性放大電路永磁同步伺服電動機(jī)主要由轉(zhuǎn)子和定子兩大部分組成。在轉(zhuǎn)子上裝有永磁體，用以產(chǎn)生恒定磁場。轉(zhuǎn)子上的永磁材料可以采用鐵氧體或稀土永磁材料。高性能而價(jià)格適宜的永磁材料，為提高電動機(jī)的伺服性能和實(shí)用化提供了條件。電機(jī)定子繞組外加SPWM波電壓產(chǎn)生三相正弦波電流形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。采用SPWM電壓波驅(qū)動永磁同步伺服電動機(jī)，可以使控制器主電路功率器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，具有系統(tǒng)效率高、功率密度高、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。但SPWM波所造成的高次諧波對于高精密伺服系統(tǒng)仍有一定影響，因此在微型高精度伺服系統(tǒng)中采用線性功率放大器是一種可行的選擇。線性放大器主電路具有輸出波形諧波含量低、電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，特別是在微小功率（≤100W）的電機(jī)驅(qū)動中有較大的優(yōu)勢?？紤]到驅(qū)動伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速精確度及電磁兼容性的要求，所以我們采用線性放大器主電路并加以合理設(shè)計(jì)的濾波電路，使系統(tǒng)的電磁兼容性滿足要求。采用雙電源供電的三相放大電路技術(shù)已經(jīng)比較成熟，實(shí)現(xiàn)起來也比較簡單，但是，有些用于航天級以及軍用級的伺服系統(tǒng)，考慮到電源對系統(tǒng)的影響，要求線性放大電路中，供電電源只能用到177。12V給運(yùn)放供電以及+27V給功率放大器供電，那么就必須設(shè)計(jì)基于單電源功率放大器的三相放大電路。 線性放大電路結(jié)構(gòu)分析線性放大電路的示意圖如圖31所示，其中、分別表示三相電流的給定值，、分別表示三相電流的反饋值，兩者相減之后分別通過三相的電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，再經(jīng)過線性功率放大電路（圖中的K）之后作為定子電流直接輸出到電機(jī)定子上。線性放大電路由兩部分組成，一部分是電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器，用來對電流實(shí)現(xiàn)P調(diào)節(jié)，另一部分是功率放大器，用來放大電壓及電流，使得能夠驅(qū)動電機(jī)，兩部分都是用硬件來實(shí)現(xiàn)的[24][25]。圖31 線性放大主電路示意圖 電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器部分包括電流采樣和電流調(diào)節(jié)器。電流采樣根據(jù)功率放大部分供電電源的不同有不同的形式。如果功率放大部分采用的是雙電源供電，電流可以直接通過采樣電阻得到，電路的接線如圖32所示。這時(shí)候控制電路、線性放大電路和電機(jī)是共地的。為了接入取樣電阻，電機(jī)定子繞組要引出六個(gè)端子，分別為A、X、B、Y、C、Z，串入采樣電阻之后接成星型，中性點(diǎn)再和控制電路、驅(qū)動電路的地接到一起。功率放大部分采用雙電源供電時(shí)電流采樣比較簡單。圖32 功率放大電路用雙電源供電時(shí)的接線方法電流調(diào)節(jié)器一般采用比例調(diào)節(jié)。由于采用硬件來實(shí)現(xiàn)，電流環(huán)的響應(yīng)很快，和速度環(huán)和位置環(huán)的時(shí)間常數(shù)相比電流環(huán)的時(shí)間常數(shù)基本上可以忽略，所以在分析速度環(huán)和位置環(huán)時(shí)我們可以認(rèn)為電流環(huán)響應(yīng)沒有延時(shí)，這簡化了控制環(huán)路的分析。功率放大部分用來放大電流信號，放大倍數(shù)要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的要求來選取。功率放大電路一般選用功率運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)，功率運(yùn)算放大器要根據(jù)電壓、電流、封裝、功耗等要求來選取，還要考慮其供電方式（某些功率運(yùn)算放大器不能采用單電源供電）。目前市場上有很多種功率運(yùn)算放大器可供選擇，如TI公司的OPA54OPA549，Apex公司的PA9PA95等。 單電源線性放大電路 電路設(shè)計(jì)單電源供電時(shí)，功率放大器輸出的是單極性電壓，為使得定子中流過雙極性的三相電流，定子一端X、Y、Z直接在點(diǎn)機(jī)內(nèi)部接成星型。在這種情況下，采樣電阻不能直接通過采樣電阻獲得。我們將采樣電阻與電機(jī)每相繞組串聯(lián)，再將采樣電阻兩端的電壓差通過差分電路放大，就能得到具體的電流數(shù)值。接線方式如圖33所示。圖33 功率放大電路用單電源供電時(shí)的接線方法(1) 差分放大電路差分放大電路如圖34所示，其中I為定子電流，U為放大電路輸出電壓，為采樣電阻，設(shè)計(jì)時(shí)我們?nèi)?，可以得到? （31）圖34 差分放大電路（2）P調(diào)節(jié)比較電路P調(diào)節(jié)比較電路比較簡單，只用構(gòu)造一個(gè)加法器即可，如圖35所示。圖中為反饋電流，為給定電流，為比較后的電壓，其值為： （32）圖35 P調(diào)節(jié)比較電路（3）電壓偏移電路因?yàn)椋鶠殡p極性電壓，所以也為雙極性。而功率放大器采用單電源供電，它的輸入電壓必需為單極性，那么就需要對進(jìn)行偏移，使之位于零點(diǎn)之上。偏移電路如圖36所示，其中為偏移電壓，作為功率放大器的輸入。 （33）由于必須滿足（為功率放大器晶體管開啟電壓），后面功率放大器才能在單電源下正常工作，所以應(yīng)適當(dāng)選取和的值，使得滿足： （34）而其中為雙極性電壓，考慮到提供的電源電壓只有+27V和177。12V，這里我們?nèi)?，那么偏移量的大小由的取值決定，越大，偏移量越小，越小，偏移量越大。偏移量過大會引起功率放大電路飽和失真，太小則無法滿足式（34），單電源供電的功放將無法正常工作。所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)電路適當(dāng)設(shè)置偏移量的大小。 圖36 電壓偏移電路（4）功率放大電路功率運(yùn)放我們選用TI公司的OPA548T，它既可以采用雙電源供電，也可以采用單電源供電。最大電壓177。30V，最大通過的連續(xù)電流3A，最大峰值電流5A。功率放大電路如圖37所示，這是一個(gè)同相放大電路，易求得： （35）將（34）式代入可得： （36）可見，功放輸出電壓中包含一個(gè)單極性的偏移量。所以需如圖33將定子接成星型，使得偏移量相互抵消。圖37 功率放大電路通過以上分析，該電路由四級放大電路組成，電路圖如圖38所示。圖38 線性放大電路原理圖根據(jù)圖6所示電路搭建仿真模型，因?yàn)镻CPISE元件庫中沒有元器件OPA548T，用OPA547代替。其功能和OPA548T基本相同，最大峰值電流為750mA。定子每相的阻抗用1歐的電阻和5毫亨的電感來代替，輸入由正弦電壓源給出。電壓源幅值VAMPL設(shè)為1V，頻率FREQ設(shè)為50，偏移量VOFF設(shè)為0，相位PASH分別設(shè)為120，0，120。以R=1K代替輸入電壓和放大電路之間的阻抗。為便于分析，以上電路中設(shè)置，，，，限流電阻。仿真波形如下：（1）功率放大器輸出電壓波形如圖39所示，可以看到，由于適當(dāng)?shù)钠?，沒有產(chǎn)生任何失真。圖39 功放輸出電壓U仿真波形（2）定子相電壓 波形如圖310，抵消直流量后，定子相電壓為雙極性。圖310 定子線電壓仿真波形（3）給定電流和反饋電流適當(dāng)?shù)恼{(diào)整電路中電阻的大小，可以使很好的跟蹤，波形如圖311所示。圖311 給定電流和反饋電流仿真波形（4）定子電流 如圖312所示，波形為三相對稱正弦波。圖312 定子電流仿真波形 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)中三相正弦電壓信號通過讀正弦表的方法產(chǎn)生，所用芯片為INTEL公司的8XC196KC和AD公司的AD664以及必要的外圍電路。負(fù)載是微型永磁同步電機(jī)，電機(jī)參數(shù)為：額定電壓，額定轉(zhuǎn)矩，額定轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速，額定電流，最大電流。圖313為功放輸出對電源地的電壓波形，電壓極性為單極性。圖313 功放輸出對電源地電壓波形圖314為電機(jī)定子相電壓波形，三相的偏移量相互抵消，電壓極性為雙極性。圖314 定子線電壓波形圖315為定子電流波形，波形如下。圖315 定子電流波形仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的單電源三相線性功率放大器輸出電壓、電流波形正弦度好，無高次諧波，為研制高精度交流伺服系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)。4 位置檢測和速度計(jì)算 速度曲線的生成驅(qū)動機(jī)構(gòu)有三種工作模式，其中變速模式最為復(fù)雜。我們根據(jù)位置讀表來實(shí)現(xiàn)速度的給定，為此就需要按要求生成位置速度曲線。由于要繪制角度角速度曲線，并要求在指定的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行到指定的角度。在一個(gè)很小的角度內(nèi)，角速度可視為恒定，即。將所要運(yùn)行的角度劃分為若干個(gè)很小的角度，那么走完每個(gè)小角度所需要的時(shí)間可以由以上公式算出，即。這樣，將每走完每一角度所花的時(shí)間相加，就可以得到運(yùn)行該角度所花的時(shí)間。將上式積分可以得到。由于是角度角速度的曲線，那么角度可以看作是角速度的函數(shù)，即。上式變?yōu)椤Ｎ覀兞?，那么。只要我們根?jù)它得到的曲線，進(jìn)而可以得到的曲線。 為了得到的曲線，我們首先按要求求出各段的平均速度，并求其倒數(shù)，圖形大致形狀如下。 圖41 平均速度曲線ABCDOEEFAEF這是一條符合要求的曲線，但其平滑度顯然不符合要求，我們需要進(jìn)行優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，我們必須保證在每一個(gè)角度段，曲線所圍的面積等于運(yùn)行該段所要求的時(shí)間，即滿足。為方面描述，下面以從到的角度為例來說明。 圖42 速度曲線生成示意圖如上圖所示，我們讓兩段變速運(yùn)動來代替原來的勻速運(yùn)動。為使兩段曲線所圍的面積相等，那么和的面積和就應(yīng)該等于的面積。圖中，由前段算出，和設(shè)為期望值。按照上述方法可以求出各段曲線，需要注意的是，在曲線末端時(shí)的函數(shù)值應(yīng)和始端時(shí)的函數(shù)值相等，否則就需要對前面的曲線進(jìn)行調(diào)整。,采用上述方法得到曲線如圖43所示。為驗(yàn)證曲線的正確性，將繪圖的變量改為時(shí)間和位置。生成曲線如圖44所示。從圖中可見，不同的時(shí)間點(diǎn)可按要求到達(dá)不同的位置。由此可以驗(yàn)證，所得曲線滿足提出的要求。圖43 位置速度曲線圖44 位置時(shí)間曲線 位置檢測 位置檢測元件為實(shí)現(xiàn)高性能伺服系統(tǒng)的控制, 需要精確檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置, 以實(shí)現(xiàn)磁場定向和速度控制。目前在電機(jī)位置的檢測中使用較多的有旋轉(zhuǎn)變壓器、絕對式光電編碼器和增量式光電編碼器, 由于本系統(tǒng)采用的是混合式光電編碼器，故在此主要描述光電編碼器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用?！」怆娋幋a器由裝在轉(zhuǎn)子上的碼盤與裝在定子上的光電檢測元件構(gòu)成，利用光柵衍射原理實(shí)現(xiàn)位移2數(shù)字變換,從上世紀(jì)50年代開始應(yīng)用于機(jī)床和計(jì)算儀器,因其結(jié)構(gòu)簡單、計(jì)量精度高、壽命長等優(yōu)點(diǎn),在國內(nèi)外受到重視和推廣。近年來取得長足的發(fā)展,在精密定位、速度、長度、加速度、振動等方面得到廣泛的應(yīng)用,特別是在數(shù)控機(jī)床的精密定位方面使用較多。光電編碼器按編碼方式分為三類:增量式、絕對式和混合式。（1） 增量式光電編碼器增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，會有A，B，Z三路脈沖輸出。其計(jì)數(shù)起點(diǎn)任意設(shè)定,可實(shí)現(xiàn)多圈無限累加和測量。其中A，B脈沖相差，由此判斷轉(zhuǎn)向。零位脈沖Z，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈只產(chǎn)生一個(gè)，作為轉(zhuǎn)子的基準(zhǔn)位置。需要提高分辨率時(shí),可利用90176。相位差的A、B 兩路信號進(jìn)行倍頻或更換高分辨率編碼器。它的優(yōu)點(diǎn)是原理、構(gòu)造簡單,機(jī)械平均壽命長,可在幾萬小時(shí)以上,抗干擾能力強(qiáng),可靠性高,適合于長距離傳輸。其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。（2） 絕對式光電編碼器絕對式編碼器有與位置相對應(yīng)的代碼輸出, 通常為二進(jìn)制碼或BCD碼。從代碼數(shù)大小的變化可以判別正反方向和位移所處的位置,絕對零位代碼還可以用于停電位置記憶。絕對式編碼器的測量范圍常規(guī)為0～360176。其特點(diǎn)可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值。沒有累積誤差。 電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來決定的,即精度取決于位數(shù),目前有10位、14位等多種。（3）混合式光電編碼器混合式光電編碼器同時(shí)具有增量式光電編碼器與絕對式光電編碼器的功能, 它輸出兩組信息，不僅內(nèi)部以格雷碼編碼,輸出轉(zhuǎn)子的空間位置信號,并且同時(shí)還輸出增量式光電編碼器所具有的脈沖信號。所以采用混合式光電編碼器可以同時(shí)測量轉(zhuǎn)子的空間位置與轉(zhuǎn)速。由于混合式光電編碼器功能齊全,它的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,所以價(jià)格相對較高。 位置檢測本系統(tǒng)采用混合式光電編碼器，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，會發(fā)出六路脈沖。其中A，B，Z三路脈沖用來判斷轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)子確切位置，而U，V，W三路脈沖用來給電機(jī)初始定位。A 、B 兩組脈沖信號的頻率相同, 分辨率為2500脈沖/轉(zhuǎn)。通過判斷兩脈沖的相位可以判斷出電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向, 這兩個(gè)脈沖信號經(jīng)四倍頻電路后, 電機(jī)空間位置的分辨率變?yōu)?0000脈沖/轉(zhuǎn)。脈沖Z 是同步信號,其產(chǎn)生的位置固定, 即電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到該位置時(shí)發(fā)出信號, 該信號可以用來消除干擾脈沖或丟失脈沖對位置計(jì)數(shù)器造成的累計(jì)誤差, 該脈沖每一圈產(chǎn)生一個(gè)。輸出波形如圖45所示。若把零位脈沖整定在磁極軸線與A相繞組軸線重合位置，從零位開始對脈沖進(jìn)行基數(shù)，每經(jīng)過一個(gè)脈沖，正轉(zhuǎn)時(shí)加1，反轉(zhuǎn)時(shí)減1，根據(jù)所測得的脈沖數(shù)就可確定轉(zhuǎn)子的位置。圖45 增量信號波形另外還有U、V 、W 三個(gè)脈沖信號, 這三個(gè)脈沖輸出互差120176。電角度, 寬度為電角度的方波信號。如圖46 所示, 在360176。電角度范圍內(nèi), 該三相脈沖輸出六種不同的狀態(tài), 每個(gè)狀態(tài)寬度為60176。這樣就可以粗略判斷轉(zhuǎn)子的初始位置。 U、V 、W信號狀態(tài)編碼圖 速度計(jì)算（1）M法測量轉(zhuǎn)速M(fèi)法測速度指在給定的時(shí)間內(nèi),編碼器每周產(chǎn)生N個(gè)脈沖信號, 讀取脈沖個(gè)數(shù)m ,由計(jì)算出轉(zhuǎn)速為： （41）當(dāng)時(shí)間固定時(shí),通過統(tǒng)計(jì)脈沖個(gè)數(shù),可以得出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過的角度,再除以時(shí)間即可得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。首尾兩個(gè)脈沖計(jì)數(shù)時(shí)可能產(chǎn)生誤差,誤差的大小為正負(fù)一個(gè)脈沖的間隔。在一般的速度范圍內(nèi)，編碼器輸出的脈沖頻率比采樣頻率高的多。速度越高，反饋脈沖個(gè)數(shù)M越多，測速精度就越高。因