【正文】 13. 采用新型芯片過濾脈沖雜波可使絲耗降低 30%；14. 最大切割厚度可達 1 米以上；15. 最大切割速度可達160mm 2/ min以上（需特定條件）；16. 加工表面粗糙度 Ra≤。步迸電機是一種將電脈沖信號換成相應(yīng)角位移或直線位移的控制電動機。概括起來步進電機的主要使用特點如下：l、每個脈沖對應(yīng)一個步距角；脈沖頻率與電機轉(zhuǎn)速成正比；脈沖頻率變化太快，會引起失步或過沖；改變脈沖分配的相序即可改變電機旋轉(zhuǎn)方向；交流伺服電機的應(yīng)用難題在于其復雜的伺服控制系統(tǒng)（全閉環(huán)控制），其成本高，控制難度大。由于步進電機應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，又比伺服電機成本低，本文控制電機仍選擇步進電機，但下文仍將進一步討論交流永磁同步電機的全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，為以后伺服電機的成熟應(yīng)用打下基礎(chǔ)。附加的工具箱（單獨提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴展了 MATLAB 環(huán)境，可以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。支持連續(xù)、離散以及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，同時它也支持具有不同部分擁有不同采樣率的多種采樣速率的仿真系統(tǒng)。其主要功能是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、方針與分析，可以預先對系統(tǒng)進行仿真分析，按仿真的最佳效果來調(diào)試及整定控制系統(tǒng)的參數(shù)。它為用戶提供了一個圖形化的用戶界面（GUI）。不但實現(xiàn)了可視化的動態(tài)仿真，也實現(xiàn)了與MATLAB、C或者FORTRAN語言，甚至和硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞，大大擴展了它的功能。220V、50Hz 的交流電源經(jīng)過一級變壓器后輸出 110V、50Hz 的交流電源，再經(jīng)過二極管整流電路后得到線切割加工所需的直流電源。電路中帶正負極且電容值較大的鉭電容作為充放電電容可以保持直流電源的穩(wěn)定性。這一反饋控制過程能實時調(diào)節(jié)電極絲的加工電流，保證加工的質(zhì)量。由于該仿真庫沒有線切割加工的仿真模塊，本文利用直流電機模擬線切割加工時的負載變化。按照圖 所設(shè)計的電路原理搭建線切割脈沖電源電路仿真模型對其進行仿真。電容的選擇需要注意，需要一個大電容作為充放電電容保證電壓的穩(wěn)定性，仿真電路選擇 470 μ F帶正負極的鉭電容作為充放電電容；同時需要 1 μ F左右的小電容起到濾波作用。其中直流電機的參數(shù)如圖 33 所示，電機勵磁電壓一般選用 55V，負載轉(zhuǎn)矩為4 N/m。選擇“Simulation”菜單下的“Parameters”命令可以設(shè)置仿真參數(shù)和選擇解法器。固定步長模式在仿真過程中提供固定的步長，不提供誤差控制和過零檢測；變步長模式可以在仿真過程中改變步長，提供誤差控制和過零檢測。它為單步解法器，也就是在計算 y（tn）時，它僅需要最近處理時刻的結(jié)果 y（tn1）。當用戶要解決的問題比較困難，或者不能使用 ode45，或者使用效果不好時，一般選用 ode15s，它也適用于剛性系統(tǒng)[23]。圖 35 直流電機的仿真波形檢測反饋主回路的電流表的仿真波形如圖 36 所示。圖 36 電流表檢測的電流波形 伺服電機控制系統(tǒng)的仿真 伺服電機控制方式的選擇伺服電機的控制方式一般分為三種：速度控制、轉(zhuǎn)矩控制和位置控制。而電機的伺服控制系統(tǒng)一般為三個閉環(huán)的負反饋 PID 調(diào)節(jié)控制環(huán)，其中第 1 環(huán)電流環(huán)是最內(nèi)環(huán)也是最基礎(chǔ)的一環(huán)；第 2 環(huán)是速度環(huán)；第 3 環(huán)是位置環(huán)，也是最外環(huán)。矢量變換控制原理是建立在坐標變換理論下的控制方法，其中坐標變換包括 Clark 變換、Park 變換和 Park 反變換，三種變換的數(shù)學模型為：Clark 變換：Park變換：Park反變換：其中id 、iq 表示電機內(nèi) dq 旋轉(zhuǎn)坐標系的電流；ia、ib、ic表示電機三相電路；iα、iβ表示三相電流經(jīng) Clark 變換后在αβ 直角坐標系下的電流。其控制原理可大致概括為：運轉(zhuǎn)的電機首先通過光電編碼器檢測出電機轉(zhuǎn)子的位置，將其轉(zhuǎn)換成角度θr 和轉(zhuǎn)速ωr反饋于給定的轉(zhuǎn)速和電流；電機定子的三相電流經(jīng)檢測電路取得后也通過坐標變換反饋給初值，再經(jīng)過 PID 調(diào)節(jié)器獲得理想的控制量后進行 PARK 反變換，得到的控制量最后由SVPWM計算產(chǎn)生6路PWM信號(電壓信號)經(jīng)逆變器輸出控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，整個控制系統(tǒng)構(gòu)成了一個完整的反饋控制系統(tǒng)[25][26]。圖 39 Park 反變換仿真模型（2）SVPWM 模塊SVPWM 模塊的主要功能是使電機獲得幅值恒定的圓形磁場。（3）扇區(qū)選擇逆變器共有 8 種工作狀態(tài)，取其中 6 個非零的開關(guān)狀態(tài)，可得到 6 個均勻分布的空間電壓矢量。扇區(qū)的選擇可根據(jù)矢量Vα、Vβ的大小關(guān)系來判斷?？傻蒙葏^(qū)號的計算等式為 N=A+2B+4C，取值為 1~6 的整數(shù)之一。圖 310 扇區(qū)號 N 仿真模型（4）計算 X, Y, Z 和T1 ,T2用T1 ,T2來表示空間不同矢量的作用時間。若T1+ T2 Ts ,則T1 = T1 Ts /( T1+ T2), T2 = T2 Ts /( T1+ T2) 其中T s為 SVPWM 的周期 的周期 。圖 311 T1 與T2的仿真模型（5）計算矢量切換點Tcm1 、Tcm2 、Tcm3根據(jù)等式Ta= (Ts–T1–T2)/4,Tb=Ta+T1/2, Tc=Tb+T2/2，確定在不同扇區(qū)內(nèi)Tcm1 、Tcm2 、Tcm3的取值，其結(jié)果見表 32。圖 312 Tcm1 、Tcm2 、Tcm3的仿真模型（6）生成 PWM 脈沖波形將Tcm1 、Tcm2 、Tcm3的值與設(shè)定幅值的等腰三角形波形進行比較，就可以得到空間矢量對稱的 PWM 波形。生成 6 路 PWM 脈沖波形的仿真模型如圖 313 所示。圖 314 SVPWM 整體仿真模型（7）PMSM 整體仿真模型借助 Matlab/Simulink 模塊庫提供的 Universal Bridge 逆變器模塊和 PermanentMagnet Synchronous Machine 電機模塊整合搭建的 PMSM 閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)如圖315 所示。min1，Udc =300V，Ts=。從仿真得出的波形可以看出，電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和三相電流在短時間內(nèi)即達到穩(wěn)定，說明此控制系統(tǒng)響應(yīng)好，能平穩(wěn)運行，符合伺服電機的控制要求。從仿真結(jié)果可知，若給予電機的轉(zhuǎn)矩或控制信號越平穩(wěn)，過渡越好，電機的運行將越穩(wěn)定可靠，因此電機的控制信號需要經(jīng)過PID 控制環(huán)調(diào)節(jié)。雖然三相電流的幅值因為正弦信號略有變化，但其相位角仍然滿足相差 120176。若給予電機的正弦波信號頻率過大或過小，電機三相電流不僅幅值相差很大，而且相位角也不能滿足要求，這對電機的傷害很大，控制效果也很不理想。STM32 微處理器按性能分為兩個不同的系列：STM32F103“增強型”系列和 STM32F101“基本型”系列。完整的 STM32F103xx 增強型系列產(chǎn)品包括從 36 腳到 100 腳的五種封裝形式，所有型號的器件都含有通用 16 位定時器、12 位 ADC 和 PWM 定時器等功能模塊，還包含標準和先進的通信接口：USART 串口、USB、CAN 及 SPI 總線等。本文采用的微處理器是STM32的增強型系列——STM32F103C8T6。另外通訊接口包括：兩個I2?C總線接口，支持芯片間數(shù)據(jù)的通訊與傳輸；兩個SPI通訊口，支持18MHz的主從控制模式；三個USART通訊口，支持全雙工數(shù)據(jù)交換，；一個CAN總線接口， (主動)，位速率達1兆位/秒，它可以接收和發(fā)送11位標識符的標準幀，也可以接收和發(fā)送29位標識符的擴展幀。STM32F103C8T6為LQFP48封裝，以它為核心處理器設(shè)計的總體硬件模塊如圖41所示。下面將重點介紹幾個重要模塊的電路設(shè)計及注意事項。Protel 99SE 是ProklTechnology 公司開發(fā)的基于 Windows 環(huán)境下的電路板設(shè)計軟件，該軟件功能強大，人機界面友好，易學易用，是業(yè)界人士首選的電路板設(shè)計工具。 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。如果外接電源是 12V 或 24V，也可以通過其他電壓轉(zhuǎn)換芯片降壓，輸出電路需要的電源。LED燈指示電路 電源是否正常工作。標準的 JTAG接口是 4 線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。圖 43 JTAG 模塊電路設(shè)計除了以上兩個主要模塊，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，其電路原理圖及 PCB 設(shè)計圖見附錄 B。 ARM—PWM 輸出主控板ARM—PWM 主控板通過跳線接口連接 ARM 主芯片板的所有控制輸入輸出口，實現(xiàn)控制信號的互通。主控板包含脈沖輸出模塊、CAN 通訊模塊、串口通訊模塊、復位模塊、繼電器模塊、LCD 顯示模塊與按鍵模塊。PWM 脈沖輸出的電路設(shè)計如圖 44 所示。TLP250主要用于 IGBT 或功率 MOSFET（金屬氧化層半導體場效晶體管）門驅(qū)動電路的設(shè)計，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)時間只有 微妙。CAN 總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線，這主要緣于 CAN 網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，另外它具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力使其廣泛應(yīng)用于環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強的工業(yè)環(huán)境。其中 PCA82C250 是 CAN 協(xié)議控制器和物理總線間的接口，它主要為汽車或嵌入式系統(tǒng)中高速通訊（高達 1Mbps）應(yīng)用而設(shè)計。圖 45 CAN 通訊模塊電路串口通訊電路設(shè)計如圖 46 所示，其作用是實現(xiàn)主芯片與 PC 上位機的數(shù)據(jù)通訊。它的工作電壓為 ，是低功耗器件，速度高達 400kbps[30][31]。電路板上方 24pins 的跳線端連接的是 LCD 液晶顯示器；中間兩個平行的 20pins 的單排跳線端連接主芯片板；左下角 20pins 的雙排直插標準跳線端輸出 PWM—IGBT 功率控制板的控制信號。另外此功率控制板還有外接 100V 和 36V 的直流電源及 12V 和 5V 的交流電源，所以需