（机械电子工程专业论文）用于高速数控转塔冲床的全数字交流伺服控制系统.pdf

济南大学硕i ：学位论文 摘要 数控转塔冲床作为板材加工中的高端设备，具有高精度、高效率、高自动化和柔 性化的特点，适合于多品种、中小批量生产，因而深受广大用户的欢迎，在国内外得 到了越来越广泛的应用。目前我国数控冲床的核心部分动力驱动及控制系统一直 依赖进口，迫切需要开发具有自主知识产权的交流伺服控制系统。 随着微处理器技术、电力电子技术、高磁能积永磁材料及其他相关技术的迅速发 展，交流伺服电机驱动已经显示出其得天独厚的优势。目前，交流伺服电机用于数控 冲床的研究还不是很广泛，但是随着高容量、大扭矩交流伺服电机的研制成功，它与 机械传动技术相组合形成的复合型驱动机构，为提高数控冲床的智能化、柔性化水平 提供了新途径。本文采用永磁同步电机作为冲床主传动系统动力源，以曲柄滑块和肘 杆机构的组合形式构成主传动系统。利用先进的数字信号处理器( d s p ) ，研究伺服 系统的控制理论，采用预测控制和空间矢量控制技术，改善电流控制性能和系统响应 精度，并开发数字伺服系统，使冲床在不改变机械结构的条件下，通过控制程序的改 变实现对伺服电机的速度、电流环的精确控制，从而使滑块得到所需的工作行程和压 力曲线，满足各种不同加工材料和产品冲压工艺要求。 本文首先深入研究了永磁同步电机的矢量控制理论，建立了永磁同步电机数学模 型，并在此基础上讨论了永磁同步电机基于电压空间矢量技术的速度、电流双闭环控 制，给出了交流伺服控制系统的整体方案设计，对空间矢量脉宽调制做了详细的阐述， 并给出了软件的实现方法。 然后，研究了控制系统软、硬件结构和主要功能模块的原理及其实现方法。硬件 方面以t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心，以d t l 2 0 a 为功率驱动模块， 设计了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片必要的外围扩展电路、电流电压采样电路、逆变器驱动电 路以及光电编码器接口电路。软件采用c 语言编写，主要包括主程序和中断服务程 序，给出了系统主程序和中断服务程序流程图。永磁同步电机矢量控制的主要控制策 略在中断服务程序中实现，包括电流采样、电压采样、光电编码器测速、矢量坐标变 换、比例积分调节器的实现以及空间电压矢量脉宽调制模块。 本文借助于m a t l a b s i m u l i n k 建立了永磁同步电机的仿真模型，并根据空间 矢量脉宽调制的工作原理，构建了永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型。系统采用 定子静止坐标系下的数学模型，控制定子旋转磁场与转子磁场垂直并保持与转子同步 t t i 用于高速数控转塔冲床的令数7 交流伺服拧制系统 旋转，实现电机的闭环调速运行。仿真结果表明，所提出的永磁同步电机矢量控制方 法具有令人满意的性能，验证了算法的可行性，控制系统的各项性能指标均达到了预 期的目标，为实际系统开发奠定了基础。最后对a d 转换和s v p w m 控制进行了实 验验证。 关键字：高速数控转塔冲床；永磁同步电动机；矢量控制；s v p w m ；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 济南大学硕十学位论文 a b s t r a c t a sas o p h i s t i c a t e de q u i p m e n tw h i c hp r o c e s s e ss h e e tm e t a l ，t h ec n ct u r r e tp u n c hw i t h t h ef e a t u r e so fh i g hp r e c i s i o n ，h i 曲e f f i c i e n c y , h i g ha u t o m a t i o na n df l e x i b l i t yf i t si nm a n y v a r i e t i e s ，s m a l la n dm e d i u mv o l u m ep r o d u c t i o n s oi ti sp o p u l a rw i t ht h ev a s tn u m b e r so f u s e r sa th o m ea n da b r o a da n dh a sb e e nt h em o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d a tt h ep r e s e n t ，t h e c o r ep a r t so ft h ec n c p u n c hp r e s s - p o w e rd r i v ea n dc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e p e n d e n to n i m p o r t s ，t h e r ei sa nu r g e n tn e e dt od e v e l o pt h ea c s e r v oc o n t r o ls y s t e mw i t hi n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y , p o w e re l e c t r o n i c s ， h i g h e n e r g yp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l sa n do t h e rr e l a t e dt e c h n o l o g y , a cs e r v om o t o r d r i v eh a ss h o w ni t su n i q u ea d v a n t a g e a tp r e s e n t ，t h es t u d yo fa cs e r v om o t o ru s e di nn c p u n c h e si sn o tv e r ye x t e n s i v e h o w e v e r ，t h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to ft h ea cs e r v o m o t o rw i t ht h eh i g h c a p a c i t ya n dh i g ht o r q u e ，a n dt h ec o m p l e xd r i v i n gm e c h a n i s m c o m b i n i n gm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n da cs e r v om o t o r , p r o v i d e san e ww a y t oi m p r o v i n gn cp u n c h si n t e l l i g e n c ea n df l e x i b i l i t y t h i sp a p e ra d o p t sp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) a st h ep o w e rs o u r c eo f t h ep u n c h sm a i nd r i v es y s t e mw h i c h t h es t r u c t u r ei st h ec o m b i n a t i o no fc r a n k s l i d e r - b a ra n de l b o ws t a f fm e c h a n i s m t h ep a p e r u s e so ft h ea d v a n c e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，r e s e a r c h e st h ec o n t r o lt h e o r yo ft h e s e r v os y s t e m ，w h i c ha r ep r e d i c t i v ec o n t r o la n ds p a c ev e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y , t oi m p r o v e t h ec u r r e n tc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n ds y s t e mr e s p o n s ea c c u r a c y , a n dd e v e l o p st h ed i g i t a l s e r v os y s t e m s e r v om o t o r ss p e e da n dc u r r e n tl o o pi sc o n t r o l l e da c c u r a t e l yb yc h a n g i n g t h ec o n t r o l l i n gp r o g r a mw i t h o u tc h a n g i n gt h ep u n c h sm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，s ot h a tt h e n e c e s s a r yw o r ki t i n e r a r ya n ds t r e s sc u r v ei sg a i n e dt om e e tr e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n t m a t e r i a l sp r o c e s s i n ga n ds t a m p i n gt e c h n i c s o nt h eb a s i so fs t u d y i n gv e c t o rc o n t r o lt h e o r ya b o u tt h ep e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o ra n ds e t t i n gu pt h em o t o r sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h e p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ss p e e da n dc u r r e n td o u b l ec l o s e d l o o pc o n t r o l b a s e do nt h es p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p u t sf o r w a r dt h eo v e r a l lp r o j e c to f s y s t e ma n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so fs o f t w a r e v 用于高速数撺转塔冲床的伞数宁交流伺服拧制系统 t h em a i ns t r u c t u r e so ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r es t u d i e d t h ep r i n c i p l ea n d r e a l i z a t i o nm e t h o do ft h em a i nf u n c t i o n a lb l o c k sa r ea l s oi l l u m i n a t e d t ot h eh a r d w a r e ，t h i s p a p e ru s e st h et it m s 3 2 0 f 2 8 12d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a st h ec o n t r o lc o r e ，a n d u s e sd r 2 0 aa st h ep o w e rd r i v em o d u l e t h ep e r i p h e r a lc i r c u i t so ft m s 3 2 0 f 2 812 ，c u r r e n t a n dv o l t a g es a m p l ec i r c u i t ，i n v e r t e rd r i v e rc i r c u i ta n dt h eo p t i c a lr o t a r ye n c o d e ri n t e r f a c e c i r c u i t sa r ed e s i g n e d t h es o f t w a r eh a sb e e np r o g r a m m e dw i t hc ，i n c l u d i n gt h em a i n p r o g r a ma n dt h ei n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e t h ef l o wc h a r t so fm a i np r o g r a ma n di n t e r r u p t s e r v i c er o u t i n ea r eg i v e n t h em a i nm o d u l eo fp m s mv e c t o rc o n t r o ls u c ha sv o l t a g e s e n s i n g ，c u r r e n ts e n s i n g ，o p t i c a lr o t a r ye n c o d e rc a l c u l a t i n gs p e e d ，g e n e r a t i o no fs i n ea n d c o s i n e ，v e c t o rc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ，p ir e g u l a t o ra n ds v p w m t h i sp a p e ru s e sm a t l a b s i m u l i n kt ob u i l dt h ee m u l a t i o nm a t h e m a t i cm o d e lo f p m s ma n dc o n s t r u c tt h ep m s mv e c t o rc o n t r o ls y s t e ma c c o r d i n gt os v p w mt h e o r y t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s mi nas t a t i o n a r yr e f e r e n c ef r a m ei sa d o p t e d i no r d e rt o a c h i e v ec l o s e dl o o po p e r a t i o no ft h em o t o r , t h es t a t o rm a g n e t i cf i e l ds h o u l db ev e r t i c a l w i t ht h er o t o rm a g n e t i cf i e l da n db es y n c h r o n o u sw i t i lr o t o rr o t a t i n g s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o p o s e ds t r a t e g yi sf e a s i b l e ，a n dp e r f o r m a n c eo fa cs e r v oc o n t r o ls y s t e m m e e t so u rn e e d st ol a yaf o u n d a t i o nf o rd e v e l o p i n gt h ea c t u a ls y s t e m f i n a l l yt h ep a p e r g i v e st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h ea dc o n v e r s i o na n dt h es v p w m w a v eg e n e r a t i o n k e y w o r d s ：h i g h s p e e d c n cp u n c h p r e s s ；p m s m ；v e c t o rc o n t r o l ；s v p w m ； t m $ 3 2 0 f 2 812 v i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：芝丛塾e l 期：丝煎丛墨望 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：生丛塾导师签名勉日期：型壁盟圈 济南大学硕十学位论文 第一章绪论弟一早三百了匕 1 1 课题的背景和意义 2 0 世纪8 0 年代初，我国先后从日本、美国等国引进了一些c n c 装置及主轴、 伺服系统的生产技术，并陆续投入了批量生产，从而结束了数控机床发展徘徊不前的 局面，推动了数控机床的发展。到2 0 世纪9 0 年代初，国内的数控机床及数控系统的 生产已经具有了一定的规模。经历了3 0 年的发展，现在国产数控机床已经由成长期 进入了成熟期，可提供市场上1 5 0 0 种数控机床，覆盖了超重型机床、高精度机床、 特种加工机床、锻压设备等领域【1 】。但国产机床的发展仍然难以支撑国民经济和国防 军工的需要。与世界先进水平相比差距仍然十分明显，主要表现在以下两剧2 1 ： ( 1 ) 国产高档数控机床在品种、水平和数量上远远满足不了国内发展需求。 ( 2 ) 国产功能部件和数控系统发展滞后，成为数控机床产业发展的瓶颈，尤其 是高档数控机床配套的关键功能部件和数控系统。 数控转塔冲床作为钣金加工设备的高端设备，是集机、电、液一体化的前沿产品， 广泛用于各类金属薄板零件加工、一次性自动完成多种复杂孔型和浅拉伸成型的钣金 加工关键设备，其应用领域包括通讯设备、电力开关、电梯、汽车、农机、各类仪器 仪表等行业。随着中国经济的快速发展及世界加工基地格局的形成，数控板材加工设 备将有巨大的市场需求，据行业管理部门调查预测，目前全国市场对数控板材设备的 年需求总量为3 0 0 0 5 0 0 0 台套，估计将多年保持快速增长的态势i 引。 目前我国高速数控转塔冲床的核心部分动力驱动及控制系统，还没有形成具 有自主知识产权的核心技术，应用较多的高速液压驱动系统均是从国外进口，一套价 位在十几万，导致数控冲床制造成本及应用成本都很高，使我国的高端数控冲床设备 处于非常尴尬的境地。而且目前普遍采用的液压驱动系统虽具有响应快、控制精度高 的优点，但它也存在诸多缺点【4 】：由于液压传动中的泄漏和液体的可压缩性，使液压 传动无法保证严格的传动比，因而传动精度差；由于泄漏损失、压力损失等，传动效 率相对较低，环境污染严重；液压传动对油温的变化比较敏感，不宜在较高或较低的 温度下工作。 因此发展我国数控机床制造业，就必须掌握其中的关键技术。本课题就是在这种 环境下提出的，研制具有中国自主知识产权的高速数控转塔冲床交流伺服控制系统， 对提高我国数控冲床设备的档次，提升我国制造业水平均具有较大的现实意义。 1 用于高速数摔转塔冲床的伞数宁交流伺服柠制系统 1 2 数控转塔冲床主传动系统的发展 由于数控转塔冲床具有加工的万能性和高度的自动化，一直受到厂家的重视，成 为现代冲压行业的主要设备之一，其地位与加工中心类似。数控转塔冲床的主传动系 统负责模具的冲压控制和动力提供，它一直是数控冲床技术进步的标志之一，主传动 部分的冲压频率直接影响数控冲床的生产效率，也因此成为制造商和用户关注的焦点 1 5 j 。数控转塔冲床的主传动形式有：机械式主传动，液压主传动以及伺服电机驱动式 主传动。 数控转塔冲床的发展已经有数十年的历史。最初的机械式主传动部件由电机、飞 轮、离合器与制动器、曲轴、连杆和滑块等组成。滑块垂直上下运动，将模具的冲头 压入金属板料中。连杆连接曲轴和滑块，将曲轴的旋转运动转变为滑块的直线运动。 飞轮通过皮带与一直转动的电机相连，并储存一定的能量。冲压时，离合器闭合，飞 轮能量通过曲轴连杆机构传递到冲头上。冲压结束时，离合器在冲头向上运动时脱开， 从而解除飞轮对曲轴的扭矩传递，同时制动器开始制动，使曲轴转动至上死点时停止。 机械式主传动部件中，离合器与制动器的性能很重要，直接影响到主传动部件的工作 效率和使用寿命。 上世纪9 0 年代以来，液压式主传动部件被越来越多地采用，至今已成为数控转 塔冲床的主流配置。与机械式主传动相比，油缸取代了曲轴连杆等机械结构，液压站 提供动力，两者由主液压阀块连接，通过专门的电子卡程序化控制整个系统的动作， 并由连接于油缸活塞杆上的电子传感器实时测量和反馈，最终实现对冲头位置、行程 及速度的精确控制。但它也具有成本高、能耗大、抗污染能力差等缺点。 伺服电机驱动式主传动克服了液压系统速度切换时的短暂停顿现象，滑块运动更 加敏捷，加之操作方便、调整容易等优点，整体效率较液压式提高了1 倍以上【6 】。与 液压伺服驱动相比，交流伺服电机驱动具有能消除油液泄漏，使运动控制更加柔性， 每分钟行程次数进一步提高等优点。 综合目前各类伺服电机驱动数控冲床的工作特性，其主要优势有： ( 1 ) 高柔性。滑块可以设置自由工作模式，在该模式下，可以设定与加工工艺 相适应的运动模式，如在成形时设定滑块高的空行程速度和低的工作速度，根据特定 的工艺需要可以设定滑块在下死点或下死点附近停留等。 ( 2 ) 高生产率。伺服式冲床的实际行程可根据加工零件的工艺需要设定为生产 必要的最小值，而且可以调控保持与加工工艺相适合的冲压速度，从而最大限度地减 2 济南大学硕j j 学位论文 小了空行程，大大提高了生产率。 ( 3 ) 低噪音。通过低噪声模式，与机械式冲床相比，可大幅度减少噪声，实现 了与防音箱相同的效果。同时，由于模具振动大大减小7 1 ，大幅度地提高了模具的使 用寿命。 ( 4 ) 环保。由于无需离合器，摩擦部分大大减少，润滑油的寿命延长使用量也 大大减少，使得润滑油脂消耗量比普通压力机降低6 0 ，是一种生态环保型压力机。 ( 5 ) 节能、易于维护。由于伺服式冲床没有离合器，驱动部分部件较少，去除 了飞轮，仅在需要工作时电机才旋转，仅仅消耗最小限度的电能，比普通机械式冲床 电费节约量达3 0 1 8 1 。因为无需离合器、飞轮、齿轮等消耗保养部件，其结构简洁，维 护保养成本降低。 目前三种主传动形式的数控转塔冲床都在生产，但从近年来的销售情况看，机械 式数控转塔冲床的销售量正逐步萎缩，液压式数控转塔冲床已占据主导地位【9 】，而伺 服电机驱动式数控转塔冲床，也正在以其具有的高效、节能、环保等优势，逐步成为 数控转塔冲床发展的新方向。 1 3 伺服控制系统的国内外研究现状 伺服驱动装置是数控机床的重要功能部件，其特性一直是影响数控机床加工性能 的重要指标。围绕伺服驱动装置的动态特性与静态特性的提高问题，近年来国内外发 展了多种伺服驱动技术。 1 3 1 国外研究现状 7 0 年代，国外开始了交流伺服控制系统的研究，8 0 年代开始，国外一些著名的 公司，如日本的f a n u c 、安川、富士通、松下，美国科尔摩根公司，德国的西门子 公司，法国的b b c 公司、韩国三星公司等1 0 1 不断推出交流伺服驱动产品，到9 0 年代 伺服技术趋于成熟，其中以美国的a b b 公司、德国的西门子公司、日本的三菱公司 为代表【l l 】。 采用现场总线的数字化控制接口是伺服驱动装置实现高速、高精控制的必要条 件。因此，近年来外国公司纷纷推出各自的数字接口协议和标准，如日本发那科公司 推出串行伺服总线( f s s b ) ，德国西门子公司推出p r o f i b u s d p 总线12 1 ，日本三菱 公司推出c c l i n k 总线，德国力施乐公司推出s e r c o s 总线。全数字化概念已经延 伸到测量单元接口的数字化。德国海德汉公司将各种类型的编码器，如绝对、增量式 和正余弦编码器的细分功能都统一到e n d a e 2 2 编码器连接协议中。细分过程在编码 1 用于高速数拧转塔冲床的伞数宁交流伺服拧制系统 器内部完成，再通过数字接口和伺服驱动连接起来，实现了真正的全数字化。 在2 0 0 5 年汉诺威展览会上，日本发那克公司推出了h r v 4 伺服控制技术。h r v 4 继承并进一步发展了h r v 3 的优点，具有如下特点：在任何时刻，均采用纳米层次的 位置指令，使用脉冲数为1 6 0 0 万转的高分辨率脉冲编码器，可实现纳米精度的伺服 控制；h r v 4 超高速伺服控制处理器所控制的电机转速可达到6 0 0 0 0 r m i n ；h r v 4 控 制算法可使伺服电机的最大控制电流减少5 0 ，并使电机发热减少1 7 ，伺服驱动 装置可获得高的刚性和过载能力。 国外的先进伺服系统具有全数字化、模块化、智能化、网络化的特点，在性能指 标方面远远领先于国内，伺服系统发展的成熟度很高。 1 3 2 国内研究现状 我国在2 0 世纪8 0 年代初期通过引进、消化、吸收国外先进技术，又在国家“七 五“八五”“九五”期间对伺服驱动技术进行重大科技攻关，取得了一定成果。8 0 年代，我国曾花巨资引进西门子的伺服驱动技术，但由于引进的技术属淘汰的落后技 术，自主消化吸收没有突破，导致没有实现产业化。对于伺服驱动这样的战略高技术， 靠花钱引进无法办到。盲目效仿国外，只会落后挨打，受制于人。唯一的出路就是走 自主创新之路。 华中科技大学是我国自主创新的伺服驱动技术的发源地之一。“八五”期间，华 中科技大学的自控系和电力系分别开始了伺服驱动的研发工作。1 9 9 6 年，自控系与 华中数控合作，从共同研制基于单片机的模拟数字混合式( 电流环是模拟量) 交流伺 服驱动和主轴驱动( h s v 9 系列) ，到目前规模化生产的h s v - 1 6 8 2 0 系列数字交流 伺服驱动装置，已累计销售2 5 0 0 0 多台，被评为国家攻关重大成果和国家重点新产品。 电力系与广州数控、上海开通数控合作，研制的伺驱动技术也己实现产业化。 华中理工大学、北京冲床研究所、西安微电动机研究所、中科院沈阳自动化研究 所、兰州电动机厂等单位开始研究并推出交流伺服控制系统。其中，由广州数控生 产的d a 9 8 全数字式交流伺服驱动装置，由高原数控烟台公司生产的g y - 2 0 0 0 系列数 字化交流伺服驱动器在我国的高精度数控伺服驱动行业已经打开局面，打破了外国公 司垄断的格局，开创了民族品牌新纪元。 目前我国伺服驱动系统的产品性能、产品可靠性方面，与国外数控伺服产品还存 在一定差距，特别是在全数字化的高性能交流伺服驱动技术方面，与国外名牌企业仍 存在较大的差距，已成为制约我国发展中高档数控系统产业的瓶颈问题。 4 济南大学硕上学何论文 作为数控冲床的重要功能部件，伺服驱动和伺服电机是影响数控系统性能的重要 因素。伺服驱动和伺服电机的成本占到数控系统的总成本的1 2 3 4 ，伺服驱动涉及 大功率强电控制，是可靠性的薄弱环节和瓶颈。发展我国自主的伺服驱动技术和产业 刻不容缓。 1 4 课题的研究内容 随着微处理器技术、电力电子技术、控制理论、高磁能积永磁材料及其他相关技 术的迅速发展，交流伺服电机驱动已经显示出其得天独厚的优势。目前，交流伺服电 机用于数控冲床的研究还不是很广泛，但是随着高容量、大扭矩交流伺服电机的研制 成功，它与机械传动技术相组合形成复合型驱动机构，为提高数控冲床的智能化、柔 性化水平提供了新途径。本课题采用永磁同步电机作为冲床主传动系统动力源，以曲 柄滑块和肘杆机构的组合形式构成主传动系统。利用先进的数字信号处理器( d s p ) ， 研究伺服系统的控制理论，采用预测控制和空间矢量控制技术，改善电流控制性能和 系统响应精度，并开发数字伺服系统，使冲床在不改变机械结构的条件下，通过控制 程序的改变实现对伺服电机的速度、电流环的精确控制，从而使滑块得到所需的工作 行程和压力曲线，满足各种不同加工材料和产品冲压工艺要求。这种形式的数控冲床 保留了传统机械和液压式的优点，还具有柔性化、高速化、高效率的特点，有着较好 的应用前景。 本课题研究的全数字交流伺服控制系统的性能指标如下： 调速范围：2 0 3 0 0 0 ( r m i n ) 响应时间：0 1 ( s ) 控制精度：1 扰动稳定度：5 本课题的主要研究内容包含以下几个方面： ( 1 ) 介绍课题的意义及其相关的研究背景，在此基础上，确定高速数控转塔冲 床主传动系统的机械结构设计方案； ( 2 ) 交流伺服控制系统的整体方案设计。选用永磁同步电机作为高速数控转塔 冲床的主传动的动力源，在电机学和磁场理论的基础上，分析永磁同步电机的结构以 及工作原理，利用矢量坐标变换对电机模型进行解耦，建立永磁同步电机基于电压空 间矢量技术的速度、电流双闭环控制数学模型，采用s v p w m 技术对永磁同步电机 进行控制； 5 用于高速数摔转塔冲床的伞数字交流伺服 卒制系统 ( 3 ) 交流伺服控制系统的硬件电路设计。本课题以t i 公司的d s p 芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心，以d r 2 0 a 为功率驱动模块，进行系统的硬件电路设计， 实现对电机的转速、电流的精确控制； ( 4 ) 交流伺服控制系统的软件设计。采用c 语言开发控制系统的软件，软件采 用中断的方式控制，矢量控制的主要控制策略在中断服务程序中实现，包括电流电压 的采样与定标，光电编码器测速，坐标变换，p i 调节器的实现以及s v p w m 等模块； ( 5 ) 在m a t l a b s i m u l k 环境下，建立永磁同步电机矢量控制系统的仿真 模型，并调节控制参数以得到比较满意的系统响应特性，验证算法的可行性，为实际 系统开发奠定基础，并对系统进行实验调试。 1 5 本章小结 本章首先介绍了我国数控机床的发展现状，分析了本课题的研究背景和意义。然 后介绍了数控转塔冲床主传动系统的发展历程，通过对伺服控制系统的国内外发展现 状进行对比，提出了我国企业必须加大力度开发具有自主知识产权的新产品，并在最 后介绍了本课题的主要研究内容。 6 济南大学硕十学位论文 第二章系统的整体设计 2 1 交流伺服电机驱动式主传动系统设计 交流伺服电机驱动式主传动系统应具有尽可能高的滑块空程和回程速度，以提高 冲压加工效率；有力的放大作用，尽可能减小伺服电机功率，减少传动件结构尺寸。 综合比较现有各种机械结构的性能特征，选用肘杆机构与曲柄滑块机构相结合的结构 形式，具有如下优点f 1 4 】： ( 1 ) 在工作行程阶段获得符合冲压要求的低而均匀的速度，能保证冲压工件的 质量。 ( 2 ) 提高了滑块的空程和回程速度，从而提高了生产效率。 ( 3 ) 降低了模具与工件的接触速度，利于提高模具寿命。减小了振动和冲击， 使机器工作平稳、噪声降低。 ( 4 ) 降低了曲轴所承受的扭矩，既可减少传动机构的零件尺寸和转动件的惯量， 又相应减少了离合器、制动器的尺寸和摩擦损失。 ( 5 ) 用较小的曲柄半径可获得较大的滑块行程，并增大了公称力行程量。因此， 既扩大了设备的加工范围，又利于提高设备的结构刚性和加工工艺性。 其工作原理如图2 1 所示：首先伺服电机通过减速机构驱动曲柄o l a 转动，再由 连杆a b 和过渡杆b c 将驱动力传递给肘杆机构c d ，然后借助于连杆d e ，最终将动 力传递到滑块，进行冲压加工。 ，一一卜、 图2 1 主传动原理图 7 用于高速数 卒转塔冲床的伞数宁交流伺服柠制系统 这种曲柄滑块肘杆式主传动系统，既可借助于肘杆机构起到驱动力放大作 用，又可以通过伺服电机的速度调节功能而获得理想的压力工作曲线。此外，通过肘 杆c d 和过渡杆b c t l 5 】还吸收了冲床工作时的冲击能量，避免伺服电机受到冲床工作 时所产生的冲击力影响。 2 2 交流伺服控制系统设计 作为动力传动装置的伺服控制系统长期以来主要靠直流伺服电机，但它存在一些 固有的缺点，如换向器、电刷易磨损需经常维护，换向器会产生火花，限制了电动机 的最高转速和过载能力等。交流电动机则没有上述缺点和限制，且转子惯量较小，动 态响应更好。一般说来，在同样的体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提 高1 0 - - 一7 0 t 1 6 】。此外，交流电动机容量可以制造得更大，达到更高的电压和转速。 交流伺服电机主要有永磁同步电动机( p m s m ) 和异步电动机两大类。异步电动 机具有电机结构坚固、制造容易、价格低廉、弱磁调速易于实现等优点，但与永磁同 步电动机相比存在着效率低、功率因数低、低速力矩小、转子发热严重等问题【1 7 】。永 磁同步电动机除了结构简单、体积小、效率高，运行可靠、易实现高速、环境适应能 力强这些优点外，还具有如下优点：易实现正反转切换；定子绕组散热容易；快速响 应能力好；工作电压只受功率开关器件的耐压限制，可以采用较高的电压，易实现大 容量化【1 8 】；转子参数可测，控制性能好。永磁同步电动机的这些特点正好能够满足数 控冲床的工作特性。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范 围的调速或定位控制，能够满足高速数控转塔冲床的应用需求，因此本课题把永磁同 步电机矢量控制系统定为交流伺服控制系统的方案。 2 2 1 永磁同步电动机的结构 永磁同步电机由定子、转子、机体三大部分组成。定子主要由机座、铁心和定子 绕组构成。为减小磁滞和涡流损耗，定子铁心采用薄硅钢片叠装而成，定子铁心的内 表面嵌有在空间上对称的三相绕组。转子主要由转轴、滑环、铁心和转子绕组构成。 为兼顾导磁性能和机械强度的要求，转子铁心常采用高强度合金钢锻制而成【1 9 1 。转子 铁心上装有励磁绕组，其两个出线端与两个滑环分别相接。定子绕组通入三相交流电， 产生与电源频率同步的旋转磁场。转子是用永磁材料做成的永磁体，它在定子绕组产 生的旋转磁场的作用下开始旋转。 永磁同步电机是由绕线转子同步电动机发展而来的，它用永磁体代替了电励磁系 统，从而省去了励磁绕组、集电环和电刷，而定子与绕线转子同步电动机基本相同， s 济南大学硕十学位论文 故称为三相永磁同步电机。根据永磁体在转子上的位置不同可分为凸极式和嵌入式两 类【2 0 2 1 1 。凸极式转子是将永磁铁安装在转子轴的表面，如图2 2 。因为永磁材料的磁 导率十分接近空气的磁导率，所以在交轴、直轴上的电感基本相同。嵌入式转子则是 将永磁铁嵌入在转子轴的内部，如图2 3 ，因此交轴的电感大于直轴的电感。并且， 除了电磁转矩外，还有磁阻转矩存在。 图2 2 凸极式转子结构图2 3 嵌入式转子结构 凸极式转子结构2 2 乏3 1 具有结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，其转子 粗而短，气隙不均匀，在恒功率运行范围不宽的p m s m 中得到了广泛应用。嵌入式 转子结构的永磁体位于转子内部，能有效地避免永磁体失磁，采用嵌入式转子结构的 p m s m 具有很好的动、静态性能，广泛应用在动态性能要求高的交流调速系统中， 但其转子漏磁系数大。嵌入式多用于要求高转速的场合，其转子细而长，气隙均匀。 2 2 2 永磁同步电动机的工作原理 同步电动机工作时，定子的三相绕组中通入三相对称电流，转子的励磁绕组通入 直流电流。在定子三相对称绕组中通入三相交变电流时，将在气隙中产生旋转磁场。 在转子励磁绕组中通入直流电流时，将产生极性恒定的静止磁场。若转子磁场的磁极 对数与定子磁场的磁极对数相等，转子磁场因受定子磁场磁拉力作用而随定子旋转磁 场同步旋转，即转子以等同于旋转磁场的速度、方向旋转，这就是同步电动机的基本 工作原理【2 4 1 。 2 2 3 永磁同步电动机的数学模型 p m s m 定子上采用三相对称绕组，转子为永磁体结构，定转子通过气隙磁场相 互作用，存在电磁耦合关系。为了得到p m s m 的数学模型，对p m s m 作如下假设： o 用于高速数控转塔冲床的伞数字交流伺服 卒制系统 忽略磁饱和，不计铁心的涡流损耗和磁滞损耗，认为磁路是线性的； 定子绕组三相对称，各相绕组的轴线在空间上互差1 2 0 。电角度； 电机定子电枢绕组的空载电势是正弦波； 定子绕组电流在气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略磁场的高次谐波； 转子上无阻尼绕组； 永磁体的电导率为零。 p m s m 的控制中用到的坐标系统分为两大类，一类是静止坐标系统，包括定子 静止三相a b c 坐标系统和定予静止两相筇坐标系统。通常把这两种坐标系统放在 同一复平面上且有一个公共坐标轴位于实轴，也即定子静止三相坐标系统中的a 相 绕组轴线和定子静止两相, z p 坐标系统中的o t 轴与复平面上的实轴重合，并以公共坐 标轴为参考轴，其他轴线按照逆时针方向排列。另一类是旋转坐标系统，常用的有转 子幽同步旋转坐标系统。由于永磁同步电机电气参数与转子位置角有密切关系，因 此，为了简化数学模型需要对转子位置角解耦，坐标系统必须建立在由坐标系统中。 在满足功率不变的条件下，可以将p m s m 的各个物理量在定子静止三相a b c 坐标系 统和定子静止两相, z p 坐标系统以及旋转的转子由坐标系统之间进行变换。图2 4 为 这三种坐标系之间的位置关系。 q = a 图2 4 永磁同步电动机的三种坐标系 ( 1 ) 两相定子静止坐标系与三相静止坐标系的变换 将坐标轴放在定子上，口轴与a 相绕组轴线( a 轴) 重合，轴超前口轴9 0 。 电角度，筇坐标系中的电压和电流通过简单线性变换就可以直接从实际测量的三相 电压和电流得到。一个旋转矢量从三相定子坐标系变换到, z p 坐标系，称为c l a r k e 变 换【2 5 1 ，如下式： 1 0 济南大学硕上学位论文 i 卧 信瞎勰 眩t ) 一 ( 2 2 ) ( 2 ) 同步旋转坐标系与静止坐标系的转换 同步旋转坐标系中q 轴( 交轴) 超前d 轴( 直轴) 9 0 。，若把d 轴的取向与转子 永磁总磁通方向一致，则成为转子磁场定向坐标系。a b c 坐标系与却坐标系的关系 为： 7 ： = 后 c 。s ；c s o ；n s 。( 9 0 一- 。1 2 2 。0 。，) c o s ( o + + 1 2 0 。，) j l li：i 3s i ns i n ( o 1 2 0 一l c 2 3 ， ii = i l l ，7 l 口l i 9 s i n ( 9 一1 2 0 。) + 。) j l ；。i 洲篓治； d q 坐标系与筇坐标系的关系为： 乏 = 。一e o s ；s n 0 9cs。inso伊i。i哆, 称为p a r k 变换2 6 1 ，其逆变换为 e 如o s o - - s i 叫no h i d ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 用i p a r k 表不。 ( 3 ) p m s m 在由和筇坐标下的数学模型 p m s m 控制中，常用的是由和筇坐标下的数学模型，在由坐标系下，p m s m 的电压、磁链和电磁转矩方程可表示为： 圹彤d + 等叫肌 1 j d 叮 。l r-j 、，、， o o o 0p 坦眨 n 一 +西秒口 n n s s 用于高速数控转塔冲床的令数字交流伺服拧制系统 1 驴即等他y d v d = l q i , ( 2 7 ) l f ，d = 哕f + l d i d r e = 尸( 缈d 一沙g 屯) = p 【j i q + ( d 一g ) i d i q 式中，、z f 口由坐标系下，定子电压矢量的交、直轴分量； 屯、砌坐标系下，定子电流矢量的交、直轴分量； d 、虬由坐标系下，定子磁链矢量的交、直轴分量； 眈转子的电角速度； z 电磁转矩； y ，转子磁钢在定子上的耦合磁链； l 、厶d 、g 轴电感； 尺定子相电阻： 尸电机极对数。 在筇坐标系下，p m s m 的数学模型可表示为 鲁= 一拿屯+ 圭c 屹心， i d p ：一争+ ，) i z 0 + z ( v ，一) 口：一华吃s i n ( 眈)(2e 2 8 ) 口2 一手吃s l n ( 眈) ( ) ：孥吐c 。s ( 见) t e = i 却fc o s 0 一t 砷fs i n 0 式中，屯、珏定子电流矢量口、夕轴分量； 屹、v ，定子电压矢量口、轴分量； 气、反电势巧、轴分量： p 转子转角； 三定子相电感； ，转动惯量。 1 2 济南大学硕 j 学位论文 2 2 4 永磁同步电动机的矢量控制 p m s m 采用三相交流供电，其数学模型比直流电动机