【正文】 事件管理器的初始化包括其內(nèi)部PWM 發(fā)生模塊的初始化，針對(duì)六路的七段式PWM 波的輸出。DSP 系統(tǒng)的初始化是指 DSP 內(nèi)核的基本系 統(tǒng)配置， 主要包括了兩 個(gè)狀態(tài)寄存器 (ST0amp。只在程序啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行一次，它完成一些初始化工作，決定系統(tǒng)的運(yùn)行模式。因此，在設(shè)計(jì)和編制系統(tǒng)軟件時(shí)，要安排好各程序模塊的結(jié)構(gòu)和相互間的時(shí)序配合，以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。在三個(gè)中斷子程序中， 外部保護(hù)中斷子程序的優(yōu)先級(jí)較高。 系統(tǒng)在每次復(fù)位后， 首先執(zhí)行初始化程序， 實(shí)現(xiàn)對(duì) DSP 內(nèi)部各功能模塊工作模式的設(shè)定和初始狀態(tài)的檢測(cè)。按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的 SVPWM 矢量控制系統(tǒng)的軟件對(duì)實(shí)時(shí)性、 可靠性和通用性要求都很高，本章結(jié)合 TMS320F2812 軟件編程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的控制軟件。本系統(tǒng)選用的 IPM 是三菱公司第三代智能功率模塊 PM20CSJ060。DSP，CPLD 控制器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的的保護(hù)和監(jiān)控，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)電流、欠電壓等故障，DSP 將封鎖 PWM 輸出信號(hào)，以保護(hù)IPM模塊。其主要功能是顯示電機(jī)運(yùn)行時(shí)刻的狀態(tài)，部分故障原因以及完成各種控制信號(hào)的輸入。系統(tǒng)的硬件總體上可以分為以下三個(gè)部分所示： 第一塊電路板為功率電路板，包括 ACDC 模塊，主電路的過(guò)壓欠壓保護(hù)，軟啟動(dòng)，IPM 模塊以及驅(qū)動(dòng)電路，輔助電源電路。 圖 42 永磁伺服系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖44 永磁交流伺服系統(tǒng)硬件電路交流伺服系統(tǒng)由交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服控制驅(qū)動(dòng)器兩部分組成，控制器的性能直接影響到伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而在很大程度上決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。就可以控制電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩控制最終歸結(jié)為對(duì)軸電流的控制，矢量控制的目的就是通過(guò)對(duì)軸電流的控制，快速準(zhǔn)確地控制電磁轉(zhuǎn)矩。43 永磁同步電機(jī)的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TM320LF2407為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于永磁同步電動(dòng)具有正弦波反電勢(shì) ，是線性的，參數(shù)不隨假設(shè)電動(dòng)機(jī)溫度變化，忽略磁滯和渦流損耗 那么dq坐標(biāo)系下的永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型為 ： (41) 式中、分別為定子繞組電壓的直、交軸分量 ； 、 分別為定子繞組電流 的直 、交軸分量 ；分別為永磁同步電動(dòng)機(jī)的直 、交軸電感 ；為定子繞組電阻。(5)不計(jì)渦流和磁滯損耗。為了簡(jiǎn)化永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，首先對(duì)電機(jī)做如下假設(shè).(1)忽略鐵心飽和。本文采用的是正弦波供電永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有阻尼繞組。如果能改變定子三相電源的頻率和相位，就可以改變轉(zhuǎn)子的速度和位置。定子電樞采用短距分布式繞組，能最大限度地消除諧波磁動(dòng)勢(shì)。42 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和矢量控制隨著永磁材料性能的不斷提高，永磁同步電機(jī)((PMSM)得到了廣泛應(yīng)用。TI公司也成為世界上最大的DSP芯片供應(yīng)商，其DSP市場(chǎng)份額占全世界份額近50％。在這之后，最成功的DSP 芯片當(dāng)數(shù)美國(guó)德州儀器公司（Texas Instruments，簡(jiǎn)稱TI）的一系列產(chǎn)品。DSP和一般的CPU又不同，最大的區(qū)別在于：；DSP是數(shù)據(jù)和地址空間分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在隨著理論和實(shí)踐的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用到信息處理、通訊、多媒體、圖象處理、聲音處理、綜合網(wǎng)絡(luò)、控制、消費(fèi)類電子、醫(yī)療設(shè)備、測(cè)試儀器等眾多領(lǐng)域。數(shù)據(jù)交換能力高。 圖 41 DSP的基本模型 DSP器件就是為了滿足數(shù)字信號(hào)處理而制造的一類專用微處理器，一般具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：在單指令周期類完成乘加運(yùn)算。它以眾多的學(xué)科為理論基礎(chǔ)，所涉及范圍及其廣泛。41 DSP簡(jiǎn)介DSP有兩種解釋：其一是Digital Signal Processing的縮寫，即數(shù)字信號(hào)處理；其二是Digital Signal Processor，即數(shù)字信號(hào)處理器的意思?？梢哉f(shuō)，永磁同步電動(dòng)機(jī)已在從小到大，從一般控制驅(qū)動(dòng)到高精度的伺服驅(qū)動(dòng)，從人們?nèi)粘Ｉ男阅?，永磁同步伺服系統(tǒng)成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，其特點(diǎn)是高位置活到各種高精尖的科技領(lǐng)域作為主要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)，這種趨勢(shì)會(huì)愈加清晰。綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)?！　?）運(yùn)行性能不同　　步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。/131072=。 交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。、176。、176。、176。現(xiàn)就二者的使用性能作一比較。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。 圖 316 永磁同步型伺服電機(jī)控制框圖 圖中，CONV為整流器；SM為同步電機(jī)；；INV為變換器；iu、iv、iw為相電流；GRT為晶體三極管。從而可改變輸出的等效正弦波，以達(dá)到控制的目的。當(dāng)逆變器工作于雙極性工作方式時(shí)， 改變調(diào)制波的頻率、幅值，就可改變最終輸出 ：只要正弦控制波的最大值低于三角波的幅值，比較器的輸出U0就為等幅不等寬的SPWM脈寬調(diào)制波。圖中GRT為六只大功率晶體管，當(dāng)然，也可以采用其它的功率器件。因此，在電壓比較器輸出端就輸出幅值相等而脈沖寬度不等的SPWM電壓信號(hào)。采用模擬電路產(chǎn)生SPWM方法，就是用一個(gè)正弦波發(fā)生器產(chǎn)生可以調(diào)頻調(diào)幅的正弦波信號(hào)(調(diào)制波)，用三角波發(fā)生器生成幅值恒定的三角波信號(hào)(載波)，將它們?cè)陔妷罕容^器中進(jìn)行比較，輸出SPWM調(diào)制電壓脈沖，圖313所示是調(diào)制SPWM脈沖的原理圖。3）正弦脈寬調(diào)制原理（以單相為例）正弦脈寬調(diào)制 （SPWM）波形：與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波，等效原理：把正弦半波分成 n 等分，每一區(qū)間的面積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。為逆變器的供電[11]。為了使變壓變頻器輸出交流電壓的波形近似為正弦波，使電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，從而獲得優(yōu)秀的工作性能，現(xiàn)代通用變壓變頻器中的逆變器都是由全控型電力電子開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成，采用脈寬調(diào)制控制的，只有在全控器件尚未能及的特大容量時(shí)才采用晶閘管變頻器。交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一就是逆變器，由于調(diào)速的要求，逆變器必須具有頻率連續(xù)可調(diào)、以及輸出電壓連續(xù)可調(diào)，并與頻率保持一定比例關(guān)系等功能。在此以交—直—交型電壓變頻器為例說(shuō)明變頻工作原理[10]。在交—直變額，它先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成脈沖波電壓，這個(gè)矩形脈沖波的基被頻率就是所需的變頻電壓。變頻器可分為交—交變頤和交直交變頻兩種。這是交流電動(dòng)機(jī)的一種理想調(diào)速方法。但只要負(fù)載不超過(guò)一定的限度，轉(zhuǎn)子就始終跟著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速只決定于電源頻率和電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，而與負(fù)載大小無(wú)關(guān)。如圖311所示按照電動(dòng)機(jī)學(xué)原理，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的定子三相繞組接通三相交流電源時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(Ns，Ss)以同步轉(zhuǎn)速ns逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。所以，在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用永磁式同步電機(jī)，主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可采用異步交流伺服電機(jī)【9】。在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用的交流電機(jī)一般都為三相交流伺服電機(jī)。在交流伺服系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的類型有永磁同步交流伺服電機(jī)（PMSM）和感應(yīng)異步交流伺服電機(jī)（IM），其中，永磁同步電機(jī)具備十分優(yōu)良的低速性能、可以實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，調(diào)速范圍寬廣、動(dòng)態(tài)特性和效率都很高，已經(jīng)成為伺服系統(tǒng)的主流之選。我們通常說(shuō)的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)包括了控制器的基本功能和功率放大部分。從1970年代到20世紀(jì)末期，計(jì)算技術(shù)的飛躍發(fā)展為發(fā)展高性能驅(qū)動(dòng)帶來(lái)了機(jī)會(huì)，隨著設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、測(cè)量、控制、功率半導(dǎo)體、軸承、磁性材料、絕緣材料、制造加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，電動(dòng)機(jī)本體經(jīng)歷了輕量化、小型化、高效化、高力矩輸出、低噪音振動(dòng)、高可靠、低成本等一系列變革，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和控制裝置也更加智能化和程序化。目前IGBT的通斷驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快，通態(tài)壓降低，是一種高電壓和大電流的開(kāi)關(guān)器件，本設(shè)計(jì)中因電壓較低，選用IRG4BC10U的管子，它能承受的4A電流和10KV電壓，能夠在保證開(kāi)關(guān)頻率的同時(shí)簡(jiǎn)化電路。電路圖中使用三個(gè)電壓比較器，用于控制其中一個(gè)IGBT的通斷，TCL372能夠滿足驅(qū)動(dòng)要求。圖310為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制圖，它由兩部分組成第一部分是斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路原理圖，第二部分則是集成觸發(fā)器型環(huán)形分配器的電路原理圖。特點(diǎn)：功率開(kāi)關(guān)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功耗很低，但器件多、體積大。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)線性細(xì)分后，原來(lái)一相的一個(gè)大脈沖由現(xiàn)在的n個(gè)階梯脈沖替。這就要求驅(qū)動(dòng)電源對(duì)繞組提供的電壓與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率建立直接聯(lián)系，即低頻時(shí)用較低的電壓供電，高頻使用較高的電壓供電，調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)方式可以較好地滿足這一要求。這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但它使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性、啟動(dòng)矩頻特性和慣頻特性都有明顯的提高，使繞組中的脈沖電流邊沿陡，快速響應(yīng)好，且無(wú)外接電阻，所以功耗下降很多，提高了效率，還保證了在很大的頻率范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)都能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩。 （a） （b）圖 36 高低壓功率放大電路3） 斬波驅(qū)動(dòng)電路 由于雙電壓驅(qū)動(dòng)電路存在著電流在高低壓連接處出現(xiàn)谷點(diǎn)，造成高頻輸出轉(zhuǎn)矩在谷點(diǎn)下降。低壓部分的VMOS管VF2柵極為低電平，VF2截止。其特點(diǎn)：僅在脈沖開(kāi)始時(shí)接通高壓電源，其余時(shí)間僅接通低壓電源供電。 2) 高低電壓功率放大電路 這種驅(qū)動(dòng)電路供給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的電壓有兩種：一種是低電壓U2，一般為12V或24V；另一種是高電壓U1，電壓為80V以上。當(dāng)脈沖3加到A，B、C三個(gè)輸入端時(shí)，三組放大器分別驅(qū)動(dòng)不同繞組，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。過(guò)去采用單電壓驅(qū)動(dòng)電路，后來(lái)采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，現(xiàn)在則比較多的采用了恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓和細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路等形式的驅(qū)動(dòng)電路。CH250環(huán)形脈沖分配器的功能關(guān)系如表31所列[7]。CL端是時(shí)鐘脈沖輸入端，EN是時(shí)鐘脈沖允許端，用以控制時(shí)鐘脈沖的允許與否。圖34（b）為三相六拍接線圖。每個(gè)觸發(fā)器發(fā)出的脈沖就是一個(gè)序列脈沖，用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)某相定子繞組的通、斷電。環(huán)形分配器的功能是把來(lái)自CNC的脈沖信號(hào)按一定的規(guī)律分配給各相功率放大器，來(lái)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的勵(lì)磁繞組，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按規(guī)定的方式進(jìn)行工作。因此，需要對(duì)從環(huán)形分配器來(lái)的信號(hào)進(jìn)行功率放大，已提供幅值足夠，前后沿較好的勵(lì)磁電流。環(huán)形分配器。但由加減脈沖分配電路來(lái)的進(jìn)給脈沖頻率的變化是有躍變的。一般采用的方法是，通過(guò)加減脈沖分配電路從該進(jìn)給方向的進(jìn)給脈沖指令抵消相同數(shù)量的相反方向補(bǔ)充脈沖。當(dāng)數(shù)控機(jī)床正在沿著正向進(jìn)給的脈沖信號(hào)做正向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于各種補(bǔ)償信號(hào)的存在，可能會(huì)出現(xiàn)極個(gè)別的負(fù)向脈沖信號(hào)，同樣，當(dāng)數(shù)控機(jī)床正在沿著負(fù)向向進(jìn)給的脈沖信號(hào)做負(fù)向向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于各種補(bǔ)償信號(hào)的存在，可能會(huì)出現(xiàn)極個(gè)別的正向脈沖信號(hào)。 圖33 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方框圖CNC裝置發(fā)出脈沖指令，經(jīng)過(guò)脈沖電路至加減脈沖分配電路，再到環(huán)形分配器，經(jīng)功率放大器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。2．工作臺(tái)進(jìn)給速度的控制進(jìn)給脈沖的頻率f→定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率f→步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速→工作臺(tái)進(jìn)給速度v。步距角α可由下式計(jì)算： 式中：Z是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)；N一個(gè)周期的運(yùn)行拍數(shù)。步進(jìn)機(jī)通過(guò)一個(gè)電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度,稱為步距角，符號(hào)α，步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移量α與輸入的指令脈沖數(shù)Ｋ成正比，在時(shí)間上與輸入的脈沖同步；而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速ｎ與指令脈沖頻率ｆ成正比。上述的通電方式稱為三相單三拍。若通電脈沖的次序?yàn)锳、 B、 C、A…，則不難推出，轉(zhuǎn)子將以順時(shí)針?lè)较蛞徊讲降匦D(zhuǎn)。4兩齒與A、B兩磁極相對(duì)錯(cuò)開(kāi)30176。4兩齒與B、C兩磁極相對(duì)錯(cuò)開(kāi)30176。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。 步進(jìn)電機(jī)的工作原理實(shí)際上是電磁鐵的作用原理。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。改變繞組的通電順序，就可以改變它的旋轉(zhuǎn)方向。步進(jìn)電機(jī)是一種特殊的電動(dòng)機(jī)，一般電動(dòng)機(jī)通電后連續(xù)旋轉(zhuǎn)，但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)卻是跟隨輸入脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。下面通過(guò)兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較來(lái)進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇。起動(dòng)、轉(zhuǎn)向及其他任何運(yùn)行方式的改變, 都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成。誤差不積累。步進(jìn)電機(jī)除了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便、工作可靠, 在精度高等特點(diǎn)。 這種類型的交流伺服系統(tǒng)容易進(jìn)行弱磁控制， 實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行，這是一個(gè)顯著的特點(diǎn)。感應(yīng)式異步伺服電動(dòng)機(jī)制造容易、價(jià)格低，不需要特殊維護(hù)。在70年代直流伺服電機(jī)己經(jīng)實(shí)用化了，在各類機(jī)電一體化產(chǎn)品中，大量使用著各種結(jié)構(gòu)的直流伺服電動(dòng)機(jī)。 由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。