畢業設計(論文-數控機床的伺服驅動系統設計-資料下載頁

【導讀】用計算機實現數字程序控制的技術。式，產品結構帶來了深刻的變化。我國經濟全面與國際接軌，并逐步成為全球制造中心，我國企業廣泛應用現代化數。控技術參與國際競爭。數控技術是制造實現自動化，集成化的基礎，是提高產品質量，提高勞動生產率不可少的物資手段。因此，隨著數控機床的發展，研究和開發高性能的伺服驅動系統，一直是現。一定程度上反應一個機床的控制柔性的程度。目前在數控車床開環系統中，進給驅。限制了轉速的提高，而且結構復雜，價格較貴。電動機沒有這些缺點，且轉子慣量比直流電動機小，使得動態響應好。因此，交流伺服系統得到了迅速發展，已經形成潮。動機，直流電動機已逐漸被淘汰，在數控機床的主軸驅動中，均采用籠型異步電動機。精度，面對國內外伺服系統的發展趨勢對伺服驅動系統有下幾點基本要求。也就是說伺服系統在負載或切削條件發生變化。過伺服驅動系統轉換成坐標軸的運動，完成程序所規定的操作。伺服系統又稱為位置隨

　　

【正文】 載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統 為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。 5） 運行性能不同 步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成 位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠 [14]。 6） 速度響應性能不同 步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要 200～ 400 毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，以松下 MSMA 400W 交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速 3000RPM 僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。 綜上所述，交流伺服系統在許多性能方面都優于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執行電動機。所以，在控制系統的設計過程中要綜合考慮 。 邵陽學院畢業設計（論文） 30 第四章 伺服驅動系統的設計 隨著永磁同步電動機控制技術日趨完善，以往同步電動機的概念和應用范圍已被現今的永磁同步電動機大大擴展。可以說，永磁同步電動機已在從小到大，從一般控制驅動到高精度的伺服驅動，從人們日常生的性能，永磁同步伺服系統成為當代高性能伺服系統的主要發展方向，其特點是高位置活到各種高精尖的科技領域作為主要的驅動電機出現，這種趨勢會愈加清晰。因其卓越分辨率，高定位精度，寬調速范圍，低速穩定運行，無爬行現象，力矩波動小，響應速度快，峰值轉矩高，過載能力強，能承受頻繁起停、制 動和正反轉，電機無電刷，可靠性高，可工作于惡劣的環境。 永磁同步電動機交流伺服系統由于其控制簡單、性能好，在高性能的交流伺服系 統領域占據了很重要的地位。本文在吸取和借鑒國內外研究成果的基礎上，基于 DSP控制的永磁交流伺服系統，采用電壓空間矢量控制方法，實現了基于轉子磁場定向矢量控制的 PMSM 交流伺服驅動系統的全數字化設計。 邵陽學院畢業設計（論文） 31 41 DSP 簡介 DSP 有兩種解釋：其一是 Digital Signal Processing 的縮寫，即數字信號處理；其二是 Digital Signal Processor， 即數字 信號處理器的意思。前者數字信號處理是利用計算機或專用處理設備以數字的形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。后者數字信號處理器是用來完成數字信號處理要求的具有特殊結構的一種微處理器 。 DSP 的基本模型如圖 41 所示。它以眾多的學科為理論基礎，所涉及范圍及其廣泛。例如，在數學領域、微積分、概率統計、隨即過程、數值分析等都是數字信號處理的基本工具；同時與網絡理論、信號與系統、控制論、通信理論、故障診斷等學科也密切相關。近年來的一些新興學科，如人工智能、模式識 別、神經網絡等，都是與數字信號處理密不可分的。數字信號處理可以說許多經典的理論體系作為自己的理論基礎，同時又使自己成為一門新興學科的理論基礎。 圖 41 DSP 的基本模型 DSP 器件就是為了滿足數字信號處理而制造的一類專用微處理器，一般具有以下幾個特點：在單指令周期類完成乘加運算。高速的運算能力。一般采用哈佛結構和流水線技術。芯片具有滿足數字信號算法特殊要求的功能，如為了支持 Viterbi 蝶形算 法而設計的比特反轉尋址。數據交換能力高。支持并行處理指令等。 數字信號處理是圍繞著數字信邵陽學院畢業設計（論文） 32 號處理的理論，實現和應用而發展起來的；數字信號處理的理論又是在數字信號處理技術實踐的基礎上不斷發展和完善的。 數字信號處理器件是數字信號處理技術的具體實現載體。現在隨著理論和實踐的進一步發展，數字信號處理技術已被廣泛的應用到信息處理、通訊、多媒體、圖象處理、聲音處理、綜合網絡、控制、消費類電子、醫療設備、測試儀器等眾多領域。 DSP 主要應用在數字信號處理中，目的是為了能夠滿足實時信號處理的要求，因此需要將數字信號處理中的常用 運算執行的盡可能快，這就決定了 DSP 的特點和關鍵技術。適合數字信號處理的關鍵技術： DSP 包含乘法器、累加器、特殊地址 發生器、領開銷循環等；提高處理速度的關鍵技術：流水線技術、并行處理技術、超常指令（ VLIW）、超標量技術、 DMA 等。從廣義上講， DSP、微處理器和微控制器（單片機）等都屬于處理器，可以說 DSP 是一種 CPU。 DSP 和一般的 CPU 又不同，最大的區別在于： CPU 是馮 .諾伊曼結構的； DSP 是數據和地址空間分開的哈佛結構。 世界上第一個單片 DSP 芯片應當是 1978 年 AMI 公司發布的 S2811， 1979 年美國 Intel 公司發布的商用可編程器件 2920 是 DSP 芯片的一個主要里程碑。這兩種芯片內部都沒有現代 DSP 芯片所必須有的單周期乘法器。 1980 年，日本 NEC 公司推出的 μPD7720 是第一個具有乘法器的商用 DSP 芯片。 在這之后，最成功的 DSP 芯片當數美國德州儀器公司（ Texas Instruments，簡稱 TI）的一系列產品。 TI 公司在 1982 年成功推出其第一代 DSP 芯片 TMS32021及其系列產品 TMS3202 TMS320C10/C14/C15/C16/C17 等，之后相繼推出了第二代 DSP 芯片 TMS320 TMS320C25/C26/C28，第三代 DSP 芯片TMS320C30/C31/C32，第四代 DSP 芯片 TMS320C40/C44，第五代 DSP 芯片TMS320C5X/C54X，第二代 DSP 芯片的改進型 TMS320C2XX，集多片 DSP 芯片于一體的高性能 DSP 芯片 TMS320C8X 以及目前速度最快的第六代 DSP 芯片TMS320C62X/C67X等。 TI將常用的 DSP芯片歸納為三大系列，即： TMS320C2021系列（包括 TMS320C2X/C2XX）、 TMS320C5000 系列 （包括 TMS320C5X/C54X）、TMS320C6000 系列（ TMS320C62X/C67X）。如今， TI 公司的一系列 DSP 產品已經成為當今世界上最有影響的 DSP 芯片。 TI 公司也成為世界上最大的 DSP 芯片供應商，其 DSP 市場份額占全世界份額近 50％。目前， DSP 處理器仍被 TI、 AGERE、邵陽學院畢業設計（論文） 33 ADI 等 公司 占領，產品受外國大企業控制。國內發展 DSP 的廠商并不多，而主要的應用是 DVD 與無線電話等產品，因此國內 DSP 的產值并不高。而在產品應用上，目前重要的 DSP 應用產品，如移動電話、調制解調器等個人計算機與通訊領 域應用產品，都是采用國際大廠的 DSP 解決方案 。 42 永磁同步電機的數學模型和矢量控制 隨著永磁材料性能的不斷提高，永磁同步電機 ((PMSM)得到了廣泛應用。作為能 量轉換的裝置，永磁同步電機有多種結構和分類，其中正弦波永磁同步電動機因其卓 越的性能已日漸成為電伺服系統執行電機的主流。本章首先簡要敘述了永磁同步電機 的基本結構和主要分類，然后建立了在轉子坐標系下的永磁同步電機的數學模型，為 對其進行轉子磁場定向的矢量控制奠定了理論基礎。為了使得永磁同步伺服電動機具有正弦波感應電動勢波形，其轉子磁鋼形狀呈 拋物線狀，使其氣隙中產生的磁通密度盡量呈正弦分布。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勢。永磁體轉子產生恒定的電磁場。當定子通以三相對稱的正弦波交流電時，則產生旋轉的磁場。兩種磁場相互作用產生的電磁力，推動轉子旋轉。如果能改變定子三相電源的頻率和相位，就可以改變轉子的速度和位置。因此對三相永磁同步伺服電機的控制也和對三相異步電動機的控制相似，采用矢量控制。并且不要對轉子進行繞組和坐標變換，從而使得三相永磁同步電機的矢量控制要比三相異步電機的控制要簡單。 永磁同步電機的數學模型。 本文采用的是正 弦波供電永磁同步電機，轉子上沒有阻尼繞組。永磁同步電機的定子與普通電勵磁同步電機的定子一樣有 A, B, C 三相對稱繞組，轉子上安裝有永磁體，定子和轉子通過氣隙磁場存在電磁耦合關系。由于交流電機是一個多變量、非線性、強耦合系統，定轉子電感系數隨轉子位置的變化而變化。電機的數學模型中含有時變參數，給分析和計算帶來困難。為了簡化永磁同步電機的數學模型，首先對電機做如下假設 . (1)忽略鐵心飽和 。 (2)忽略電機繞組漏感 。 (3)轉子上沒有阻尼繞組 。 (4)永磁材料的電導率為零 。 (5)不計渦流和磁滯損耗 。 邵陽學院畢業設計（論文） 34 (6)定子相繞組的感應電動勢波為正弦型的，定子繞組的電流在氣隙中只產生正弦分布的磁勢，忽略磁場的高次諧波。 永磁同步電機的定子磁鏈是由定子三相繞組電流和轉子永磁極產生，定子三相繞 組電流產生的磁鏈與轉子位置角有關，轉子永磁極產生的磁鏈也與轉子位置有關，轉子永磁極在每相繞組中產生反電勢。 永磁同步電動機是系統的控制對象 ，有必要對進行研究 。由于永磁同步電動具有正弦波反電勢 ，是線性的，參數不隨假設電動機溫度變化，忽略磁滯和渦流損耗 那么 dq 坐標系下的永磁同步電動機數學模型為 ： (41) 式中d?、 q分別為定子繞組電壓的直、交軸分量 ； di、q 分別為定子繞組電流 的直 、交軸分量 ；dLL.分別為永磁同步電動機的直 、交軸電感 ；sR為定子繞組電阻。f 為轉子上永磁體產生的磁場；rpn???；其中 ω為轉子電角速度， ωr 為機械角速度 ，pn為極對數。 采用磁場定向的控制策略 ，即控制直軸電流 id 為零 ，則永磁同步電動機的電磁轉矩 可表示為： qfpe inT ?? （ 42） 由式 (42)可見 ，采用矢量控制策略實現了定子繞 組電流磁場分量和轉矩分量的解耦 ，這樣永磁同步 eT電動機的電磁轉矩就正比于交軸電流qi。通過控制qi就可以控制eT，進而控制轉速，從而得到了和它勵直流有刷電動機相似的控制特性。 43 永磁同步電機的伺服系統設計 本系統采用 TI 公司的數字信號處理器 TM320LF2407 為核心進行設計。TMS320LF2407 采用高性能靜態 CMOS 技術，具有高達 30MIPS 的數據處理能力以? ?dqqdpedqqsqqddsdddqfdddiinTpiRupiRuiLiL??????????????????????邵陽學院畢業設計（論文） 35 及適合電機控制的外設資源，采用其全比較單元可生成 6 路 PWM 控制信號， 10 位 A／ D 轉換模塊可以完成電流信號采樣， CAP 捕獲單元、 QEP 正交編碼單元以及 SPI串行外設接口單元可實現對轉速的實時計算和顯示，高速的數據處理能力、完備的外設資源大大地簡化了系統的硬件設計。圖 42 為采用 DSP 實現的三相永磁同步電動機矢量控制系統。在 DSP 中實現轉速、電流全數字雙閉環控制，完成電流采樣、轉角及速度計算、 PARK 變換及逆變換、 CLARKE 變換和 PWM 控制信號的實時計算以及參量顯示等功能。永磁同步電動機的電磁轉矩控制最終歸結為對qd軸電流的控制，矢量控制的目的就是通過對qd軸電流的控制，快速準確地控制電磁轉矩。控制直軸電流qi為零，通過調整直流量i。來控制轉矩，從而實現三相永磁同步電動機的控制參數解耦，實現三相永磁同步電動機轉矩的近似線性化控制。交軸電流的給定 ipref為速度控制器的輸出，控制交軸電流qi。就可以控制電動機的輸出轉矩。系統的速度環和電流環采用 PI 控制算法，同時為了提高直流電壓利用率，改善電機的運行特性，將電流控制器的輸出作為 SVPWM 模塊的輸人，結合由光電編碼器得到的電機旋轉電角度并經過扇區判斷及占空比的實