【正文】 數(shù)器。因次，只要 1Y 端有脈沖，就表示電機(jī) 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制 17 圖 33 脈沖接收電路，倍頻鑒向電路及零點(diǎn)檢測(cè)電路 正向旋轉(zhuǎn)，若 2Y 端有脈沖，則表示電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。 表 32 雙“四選一”線路真值表 數(shù)據(jù)選擇 數(shù)據(jù)選擇 輸出 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制 16 ENA ENB Y 0 0 Y=C0 0 1 Y=C1 1 0 Y=C2 1 1 Y=C3 如果我們用 lY表示正向脈沖輸出端， 2Y表示反向脈沖輸出端，根據(jù)“四選一”線路的真值表，可以畫出方波 A 滯后于 B(即電機(jī)正向旋轉(zhuǎn) )和 A 超前于 B(即電機(jī)反向旋轉(zhuǎn) )時(shí)的波形圖如圖 34 所示。雙“四選一”線路用專用的集成電路 74LSl53 構(gòu)成， 其真值表見(jiàn)表 32。 此外，從圖 32 也可以看出，真正實(shí)現(xiàn)四倍頻， M1， M2， M3 和 M4 還需要“或”起來(lái)，這將由鑒向電路完成。倍頻電路由兩片斯施密特觸發(fā)輸入雙單穩(wěn)多諧振蕩器 74LS221 組成。脈沖 接收電路主要由帶有 3 個(gè)輸出通道的單片四路線性接收器 75175 構(gòu)成，能滿足RS423， RS485 等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。因一個(gè)周期內(nèi)的一個(gè)脈沖表示工作臺(tái)移動(dòng)了一個(gè)柵距，這一個(gè)周期內(nèi)的四個(gè)脈沖中的每一個(gè)則表示了工 作臺(tái)移動(dòng)了 1／ 4 柵距，這樣就提高了光柵測(cè)量裝置的分辨率。 (2)可以進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 TLP524 是 TOSHIBA公司生產(chǎn)的 16 引腳 DIP 封裝，能提供 4 個(gè)單獨(dú)隔離電路。通過(guò)使能控制電路可 以接通和關(guān)斷至伺服驅(qū)動(dòng)器的模擬量輸出，從而在緊急情況出現(xiàn)時(shí)停止電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。而且必須能在計(jì)算機(jī)與輸入輸出裝置之間進(jìn)行必要的信息形式轉(zhuǎn)換。 3． 5 使能報(bào)警 I／ 0 電路 使能報(bào)警 I／ O主要任務(wù)就是完成電機(jī)的控制與狀態(tài)的檢測(cè)，這些功能由特殊的電機(jī)控制 I／ O 部件實(shí)現(xiàn)。這種方式既能夠保證精確定時(shí)，又可隨任務(wù)的不同而通過(guò)編程的方式將它們的定時(shí)周期進(jìn)行更改。但是由于在 wi r132多任務(wù)搶占式工作方式下，應(yīng)用程序不能完全占有 CPLJ，因此， wirldows環(huán)境下軟件定時(shí)不準(zhǔn)確。因此，要完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)，首先就是要能獲得準(zhǔn)確的時(shí)間。它們的可用地 址選擇范圍如表 3— 1所示。另一路譯碼電路為線選譯碼。譯碼電路的核心器件采用一片集成譯碼器 74Lsl38。 系統(tǒng)地址總線采用一個(gè)三態(tài)單向緩沖器 74LS244 來(lái)驅(qū)動(dòng) A0～ A IOR、 IOW、RESET。在控制端 G 有效的情況下，由 DIR 端控制驅(qū)動(dòng)方向， DIR=l 時(shí)，方向 A 到 B(允許輸出 )， DIR=0 時(shí)，方向 B 到 A(輸入 允許 )。雙向總線驅(qū)動(dòng)器 74LS245 有 16 個(gè)三態(tài)鎖存器。 數(shù)據(jù)總線用的驅(qū)動(dòng)器必須具有雙向性，地址總線用的只單方向即可。而且，總線驅(qū)動(dòng)器除了起到驅(qū)動(dòng)作用外，還能對(duì)其后的負(fù)載的變化起隔離作用。該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)寬度為 16 位，工作頻率為 8MHz，數(shù)據(jù)傳輸率最高為 8MHz。 ISA 總線的后 36 引腳擴(kuò)展了 8 位數(shù)據(jù)線 、 7 位地址線以及存儲(chǔ)器和 I／ O 設(shè)備的讀寫控制線，并有中斷和 DMA 控制線、電源和地線等。 ISA總線的前 62 引腳的信號(hào)分布與功能基本同 IBM PC 總線，僅有兩處改動(dòng)。 ISA 總線設(shè)計(jì)成前 62引腳和后 36引腳的兩個(gè)插座。 ISA 總線就是 IBM PC／ AT 機(jī)的系統(tǒng)總線，所以也稱 IBM AT 總線，后被推薦為 IEEE P996 標(biāo)準(zhǔn)。 該控制 系統(tǒng) 采用 ISA 總線 (PC／ AT 總線 )實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與控制卡之間的信息傳遞。 （ 3） ISA 總線可以支持 8 種類型的總線周期，即 8/16 位存儲(chǔ)器讀周期， 8/16位存儲(chǔ)器寫周期， 8/16 位 I/O 讀周期， 8/16 位 I/O 寫周期，中斷響應(yīng)周期， DMA 周期，存儲(chǔ)器刷新周期和總線仲裁周期。 ISA 總線的數(shù)據(jù)傳送率為8MB/s。 62 線與 36 線之間有凹槽隔開，如此保證了與 XT 總線的兼容性 。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制 11 I SA 總線 ISA 總線是對(duì) XT 總線的擴(kuò)展，以適應(yīng) 8/16 位總總線的要求。伺服控制卡硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖 32 所示。 位置控制功能由軟件和硬件兩部分共同實(shí)現(xiàn)，軟件負(fù)責(zé)偏差和進(jìn)給速度指令數(shù)值的計(jì)算。 該系統(tǒng)是以光電編碼器作為位置檢測(cè)元件的閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)。位置伺服控制不同于普通電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它是以足夠的位置控制精度 (定位精度 )、位置跟蹤精度 (位置跟蹤誤差 )和足夠快的跟蹤速度作為主要的控制目標(biāo)。例如：工作臺(tái)前后左右移動(dòng)，主軸箱的上下移動(dòng)，圍繞某一直線軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等。 2． dq 軸電壓電流方程 ud=rdid vφ q+ = vφ q+ uq=rqiq+ v(φ f+φ d)+ =rqiq + vφ f+ 式中， =Ldid (29) =Lqi q (210) 式中， ud、 uq分別為動(dòng)手 d 軸、 q 軸電壓； id、 iq分別為動(dòng) 子 d、 q 軸電樞電流；φ d、 φ q分別為由動(dòng)子 d、 q 軸電樞電流產(chǎn)生的 d、 q軸磁鏈： rd、 rq分別為動(dòng)子 d、 q軸電阻； Ld、 Lq分別為動(dòng)子 d、 q軸電感。 在磁場(chǎng)定向矢量控制條件下 (I。 2． 3 永磁交流同步伺服電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 條件 ： (1)忽略鐵心飽和； (2)不計(jì)渦流和磁滯損耗； (3)動(dòng)子上沒(méi)有阻尼繞組，永磁體也沒(méi)有阻尼作用。電角度，如此循環(huán)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于 60176。 永磁體 NS交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差 120176。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制 8 永磁交流同步伺服 內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的 U/V/W 三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器 根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。常用的檢測(cè)傳感器為光電脈沖編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器，除了完成轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)任務(wù)之外，傳感器通常還要負(fù)擔(dān)速度以及位移檢測(cè)的任務(wù)，以便簡(jiǎn)化機(jī)械部分和控制部分的結(jié)構(gòu)。此外，由于在電機(jī)軸上沒(méi)有直流伺服電機(jī)的整流子和電刷，電機(jī)的軸向尺寸可以小一些。電機(jī)內(nèi)部的發(fā)熱，只取決于定子電樞電流。轉(zhuǎn)子上的永磁材料通常 采用鐵氧體或稀土材料制成，磁場(chǎng)強(qiáng)度高，矯頑磁力很強(qiáng)，而價(jià)格又比較適當(dāng)，可以有效的減少轉(zhuǎn)子的慣量，提高輸出轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的功率比。永磁式交流伺服電動(dòng)機(jī)主要有三部分構(gòu)成，包括定子，轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件，如圖 21所示。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制 7 第二章 永磁交 流 同步伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理及數(shù)學(xué) 模型 2． 1 永磁交流同步伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 在 數(shù)控機(jī)床中，交流伺服電機(jī)正在逐漸代替直流伺服電機(jī)，這是由于交流伺服電機(jī)本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，體積較小，重量較輕，沒(méi)有整流子機(jī)械換向，所以遠(yuǎn)比直流伺服電機(jī)便于維護(hù)。一個(gè)是滿足一般工業(yè)應(yīng)用要求，對(duì)性能指標(biāo)要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合，追求低成本、少維護(hù)、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，如變頻電機(jī)、變頻器等。也可以通過(guò)串行接口，與可編程控制器（ PLC）的數(shù)控模塊相連。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口（如 RS232Ｃ或 RS422 接口等）和專用的局域網(wǎng)接口。對(duì)于使用伺服單元的用戶來(lái) 說(shuō)，這是新型伺服系統(tǒng)最具吸引力的特點(diǎn)之一。眾所周知，閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定是保證系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，也是需要耗費(fèi)較多時(shí)間與精力的工作。其次它們都具有故障自診斷與分析功能，無(wú)論什么時(shí)候，只要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會(huì)將故障的類型以及可能引起故障的原因通過(guò)用戶界面清楚地顯示出來(lái)，這就簡(jiǎn)化了維修與調(diào)試的復(fù)雜性 。 5. 智能化 智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢(shì)，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一種高級(jí)的工業(yè)控制裝置當(dāng)然也不例外。同一個(gè)控制單元，只要通過(guò)軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，就可以改變其性能，既 可以使用電機(jī)本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以通過(guò)接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。它的應(yīng)用顯著地簡(jiǎn)化了伺服單元的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。這種器件將輸入隔離、能耗制動(dòng)、過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)及故障診斷等功能全部集成于一個(gè)不大的模塊之中。這些先進(jìn)器件的應(yīng)用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了運(yùn)行噪聲。全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統(tǒng)中 應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法（如 :最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等）成為可能?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，除了在某些微型電機(jī)領(lǐng)域之外， AC 伺服電機(jī)將完全取代 DC 伺服電機(jī)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家， AC伺服電機(jī)的 市場(chǎng)占有率已經(jīng)超過(guò) 80%。 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 1. 交流化 伺服技術(shù)將繼續(xù)迅速地由 DC 伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向 AC 伺服系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服產(chǎn)品已經(jīng)成為主流產(chǎn)品。所以交流伺服系統(tǒng)在工廠自動(dòng)化（ FA）等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。直流伺服電機(jī)存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)，在運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機(jī)械設(shè)備的精度，難以應(yīng)用到高速及大容量的場(chǎng)合，機(jī)械換向器則成為直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。電流用比例調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電流跟隨性能好以及限制電動(dòng)機(jī)起制動(dòng)電流快速可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。速度環(huán)和位置環(huán)可使用單片機(jī)控制，以使控制策略獲得更高的控制性能。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，可采用位置和速度閉環(huán)控制。但由于該系統(tǒng)采用矢量變換控制，相對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)控制比較復(fù)雜，而且電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)還存在著效率低，發(fā)熱嚴(yán)重等有待克服的技術(shù)問(wèn)題， 目前并未得到普遍應(yīng)用。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價(jià)格的降低，其在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，目前已成為交流伺服系統(tǒng)的主流。 交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型來(lái)分，主要有兩大類 :永磁同步（ SM 型）電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步（ IM 型）電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)。 （ 2）交流伺服系統(tǒng) 從 70 年代后期到 80 年代初期，隨著微處理器技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電機(jī)永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價(jià)格比的日益提高，交流伺服技術(shù) — 交流伺服電機(jī)和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。 50 年代，無(wú)刷電機(jī)和直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，并在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和機(jī)械設(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)用。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制 3 伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程 （ 1） 直流伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過(guò)程。其工作過(guò)程是，由 CNC 來(lái)的位置輸入指令與位置反饋裝置檢測(cè)出的進(jìn)給坐標(biāo)的實(shí)際位移量進(jìn)行比較，把比較得來(lái)的偏差信號(hào)，經(jīng)過(guò)位置控制裝置的運(yùn)算 ，將結(jié)果輸出到 D／ A 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)伺服放大器放大后變成電壓信號(hào)，成為速度環(huán)給定信號(hào)，控制電機(jī)向消除偏差的方向旋轉(zhuǎn)，直到偏差為零時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定位置。速度控制單元的外環(huán)是位置環(huán)。 數(shù)控系統(tǒng)和其他位置伺服系統(tǒng)一樣，是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，如圖卜 l 所示。開環(huán)系統(tǒng)沒(méi)有反饋信號(hào)，其精度差，而半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，可根據(jù)檢測(cè)器的反饋信號(hào)與指令信號(hào)的比較結(jié)果來(lái)進(jìn)行速度和位置 控制，有較高的控制精度。開環(huán)系統(tǒng)沒(méi)有測(cè)量反饋環(huán)節(jié)。因此，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行研究與開發(fā)具有重要的意義。運(yùn)動(dòng)控制器以其特有的靈活性和優(yōu)異的軌跡控制能力使許多工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備煥發(fā)出勃勃生機(jī)。 以運(yùn)動(dòng)控制器作為獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)部件可以明顯縮短新產(chǎn)品的研制開發(fā)周期，有利于使用者創(chuàng)造自己的品牌產(chǎn)品。 操作簡(jiǎn)單。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制 2 結(jié)構(gòu)形式模塊化。與傳統(tǒng)的數(shù)控裝置相比，運(yùn)動(dòng)控制器具有以下特點(diǎn) : 技術(shù)更新。發(fā)展智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也將是我國(guó) 21 世紀(jì)的發(fā)展戰(zhàn)略。這為發(fā)展開放式結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)積累了經(jīng)