（机械工程专业论文）电火花加工开放式数控伺服驱动系统的研究.pdf

摘要 随着市场全球化的发展，制造商所生产的产品不但要求价格低。质量好，而且 要求交货时间短，满足用户特殊的具有个性化需求，电火花加工传统数控系统的封 闭式体系结构越来越不能满足这些要求。现代电火花加工需要一种具有模块化、标准化、 可第三方二次开发、与平台无关的新型的电火花加工开放式数控系统。 本文针对这种新型的电火花加工开放式数控系统提出一种开放式伺服驱动系统。该 伺服驱动系统使用处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，以永磁同步电机为控制对象，运用矢量控制 原理和空间矢量( s v p w m ) 算法，将电机的位移、速度、电流三个反馈闭坏在伺服驱动 系统中完成，对上位控制系统提供一个标准化的接口。 对伺服驱动系统整体硬件功能进行划分，针对每个模块的具体功能研究其实现的工 作原理和设计方法。主要包括逆变器模块的工作原理和电路设计，集成功放模块故障反 馈、主电路软启动模块、直流母线过压保护以及编码器信号处理等功能模块的电路设计。 分析伺服驱动系统三个反馈闭环在控制上的工作顺序和重要性，依次为先电流闭环 调节，再速度闭环调节，最后为位移闭环调节的顺序进行三个反馈闭环的控制。采用滞 环电流控制方法调节伺服系统，对定子电流闭环反馈控制工作原理和实现方法进行详细 分析。 结合d s p 处理器对伺服驱动系统参数设置和软件编程进行了研究。将软件划分为 八个模块进行子程序编程。主要包括：系统初始化、定位转子初始位嚣、a d 初始化、 捕获正交初始化、计算位移速度电角度、p w m 波参数计算及发生程序、a d 中断服务 子程序以及捕获正交中断服务子程序。 实验发现，该设计方案实际效果符合开放式伺服驱动系统性能要求，工作状态下伺 服驱动系统软件程序和硬件电路具有较好的稳定性，电机启动速度快，低速转矩较大， 运行性能较好，其对控制指令响应时间短，速度和位移误差在3 范围内，系统可以在 较宽的速度范围上工作，速度过渡平滑。 关键词：矢量控制，伺服驱动，s v p w m ，开放式系统，永磁同步电机 s e r v od r i v es y s t e mr e s e a r c ho fc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l l e rb a s e do n o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o re l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g l i nq i a n g ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i uy o n g h o n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a r k e tg l o b a l i z a t i o n ，m a n u f a c t u r e r sr e q u i r en o to n l yl o wp r i c e s ， g o o dq u a l i t y , a n dr e q u i r ed e l i v e r yt i m ei ss h o r t ，t om e e tt h eu s e r ss p e c i f i cn e e d s t r a d i t i o n a l c o m p u t e rn u m e r i c a l c o n t r o l l e rf o re l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，w h o s ec l o s e d a r c h i t e c t u r ei n c r e a s i n g l yu n a b l et om e e tt h e s er e q u i r e m e n t s m o d e me l e c t r i c a ld i s c h a r g e m a c h i n i n gr e q u i r e s a m o d u l a r , s t a n d a r d i z e d ，t h i r d p a r t ys e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，a n d p l a t f o r m - i n d e p e n d e n tc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l l e rb a s e do no p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e f o re l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g a c c o r d i n gf ot h i sn e wt y p ec o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l l e rb a s e do no p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o re l e c t r i c a ld i s c h a r g e t h i sp a p e rp r o p o s e das e r v od r i v es y s t e m s t h es e r v o d r i v es y s t e m ，u s i n gt h ep r o c e s s o rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，b a s e dp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o lt h eu s eo fv e c t o rc o n t r o lp r i n c i p l ea n ds p a c ev e c t o r ( s v p w m ) a l g o r i t h m ，m a k et h e t h r e ef e e d b a c kl o o p so ft h em o t o rd i s p l a c e m e n t ，s p e e da n dc u r r e n tc o m p l e t ei nt h es e r v od r i v e s y s t e m ，p r o v i d e sas t a n d a r d i z e di n t e r f a c ef o ru p p e rc o n t r o ls y s t e m s e r v od r i v es y s t e mi sd i v i d e di n t os e v e r a lf u n c t i o n a lm o d u l e s ，w h i c hw a sr e s e a r c h e dt h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dc i r c u i td e s i g nm e t h o d i n c l u d i n g i n v e r t e r m o d u l e s ，i n t e g r a t e dp o w e rm o d u l ef a u l tf e e d b a c k ，t h em a i nc i r c u i ts o f t - s t a r tm o d u l e ，d cb u s o v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o n ，a n de n c o d e rs i g n a lp r o c e s s i n g r e s e a r c h e ra n a l y z e sw o r k i n go r d e ra n dt h ei m p o r t a n c eo ft h r e ec l o s e d - l o o pf e e d b a c ki n t h es e r v od r i v es y s t e mc o n t r o l ，a n a l y z e sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o nm e t h o do fs t a t o r c u r r e n tc l o s e d l o o pc o n t r o l ，u s e sh y s t e r e t i cc u r r e n tc o n t r o lm e t h o da d j u s t i n gs t a t o rc u r r e n t t h ew o r k i n go r d e ri st h ec l o s e d - l o o pc u r r e n tr e g u l a t i o na tf i r s t ，a n dt h e nt h ec l o s e d - l o o p s p e e dr e g u l a t i o n ，f i n a l l yt h ec l o s e d l o o pd i s p l a c e m e n tr e g u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s s o r st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 r e s e a r c h e ra n a l y z e ss e r v od r i v es y s t e m p a r a m e t e rs e t t i n ga n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n g t h e s o f t w a r ei sd i v i d e di n t os e v e r a l p r o g r a m m i n gm o d u l e p r o c e d u r e sm a i ni n c l u d es y s t e mi n i t i a l i z a t i o n ，i n i t i a lr o t o rp o s i t i o n l o c a t i o n ，a di n i t i a l i z a t i o n ，c a p t u r eo r t h o g o n a li n i t i a l i z a t i o n ，d i s p l a c e m e n t | s p e e d | a n g l e c a l c u l a t i o n ，p w mp a r a m e t e rc a l c u l a t i o n ，p w mg e n e r a t o r , a di n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e ， c a p t u r eo r t h o g o n a li n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e i tw a sf o u n dt h a tt h ea c t u a lr e s u l t so ft h ed e s i g nm e e to p e ns e r v od r i v es y s t e m p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，u n d e rw o r k i n gc o n d i t i o n s ，s o f t w a r ep r o g r a m sa n dh a r d w a r ec i r c u i t o fs e r v od r i v es y s t e mh a sg o o ds t a b i l i t y , f a s tm o t o rs t a r t ，l a r g el o w - s p e e dt o r q u e ，b e t t e r o p e r a t i n gp e r f o r m a n c e ，s h o r tr e s p o n s e t i m e o ft h ec o n t r o l i n s t r u c t i o n ，v e l o c i t y a n d d i s p l a c e m e n te r r o ri nt h er a n g eo f3 ，s y s t e mc a nw o r ko n aw i d es p e e dr a n g e ，s p e e dt r a n s i t s m o o t h l y k e y w o r d s ：v e c t o rc o n t r o l ，s e r v od r i v e ，s v p w m ，o p e ns y s t e m s ，p m s m 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成 果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学 ( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所 做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：壅# 型l 日期：土。j 。年，月专口日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和电子 版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f - j ( 机构) 送交学位论文， 以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论 文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：牲 指导教师签名：豳么 日期：2 0 k , 年r , e l ；日 日期：2 , , o 年r y j 乡口日 中国石油人学( 华东) 大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 本课题为山东省科技攻关项目“绝缘材料电火花铣削技术与机床研究”子课题。 1 1 2 课题研究背景和意义 电火花) ) h i ( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ) 是在硬件数控的基础上发展起来的，它用 一台计算机代替先前的数控装置所完成的功能。所以它是一种包含有计算机在内的数字 控制系统，根据计算机存储的控制程序执行部分或全部数控功能。现在应用最广泛的电 火花加工伺服驱动系统是针对n c 嵌入p c 式控制系统或p c 嵌入n c 式控制系统，无论 是n c 嵌入p c 式系统还是p c 嵌入n c 式系统，虽然借助了p c 机的图形化资源但是对 n c 加工性能和加工范围没有提高，存在的问题是伺服驱动系统的硬件系统和软件系统 都比较固定、封闭、缺乏可植性。 随着计算机技术的快速发展，特别是电子技术的发展，处理器实时工作能力更强。 出现了应用于工业控制的高速处理器。电加工技术与计算机技术很好的融合到了一起， 出现了c a d c a m c a e p d m 的集成、智能化电火花加工控制系统、电火花加工在线实 时检测技术、智能化和无人化工场。充分利用p c 机软硬件资源成为控制系统新的发展 方向，c n c 控制系统中的n c 部分不同于以前必须由专门的电路来实现，也可以由p c 软件来完成。现在对全开放式数控系统定义为：基于微机的数控系统，以微机作为平台， 采用实时操作系统，开发数控系统的各种功能，通过伺服卡传送数据，控制坐标轴电动 机的运动【。 全开放式电火花加工数控系统( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l l e rb a s e do no p e n s y s t e ma r c h i t e c t u r ef o re l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，简称为e d m o a c 系统) 在软件和 硬件的配置上是灵活的，它允许修改硬件的基本配置和改变软件各个层面的控制，允许 应用高级的监控技术。这种全丌放式控制系统具有高度的模块化特征，分级式控制结构， 具有透明性和可移植性；标准化结构，即所有的机床和控制系统都基于统一的标准进行 开发；因为模块化设计其对应的伺服驱动系统具有统一的标准化接口，可以实现基于全 开放式电火花加工数控系统标准的不同平台间的互换，具有良好的可移植性2 。3 1 。 根据全丌放式加工数控系统的实际要求，本课题提出一种电火花加工开放式数控伺 服驱动系统。该伺服驱动系统针对永磁同步电机，采用矢量控制理论和空间矢量脉宽调 第一章绪论 制将位移、速度、电流三个反馈闭环放在伺服驱动系统中由d s p 控制器进行控制，对 上位控制系统提供统一的接口，实现伺服驱动系统对数控系统的开放1 4 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 开放式数控系统国内外研究现状 国外对开放式数控系统都进行了长时间的研究，取得了一定的研究成果。早在8 0 年代初期，美国国防部为提高国防军工机械制造生产能力，减少军工机械加工设备对外 国进口设备依赖，提出了一个命名为“下一代控制器 ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ，英 文简称n g c ) 的计划。这个计划对下一代控制器进行了详细的分析和细节说明，为下 一代控制器的研发指明了方向，同时也拉开了开放式数控系统研发的序幕，其后有几个 大的著名开放式数控系统项目出现。如：美国的o m a c 计划、欧共体的o s a c a 计划、 日本的o s e c 计划【副。 o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 控制器项目是19 9 4 年由美国三大汽车 制造公司共同提出。o m a c 控制器的设计目标是为了能够节省企业生产经营成本，提高 产品的生产效率和缩短开发周期，提高设备的可重组性，能够充分利用机床设备现有性 能并对其性能进行扩展，使加工设备的软硬件重组融合能力增强，新技术和新的加工软 件能力能够方便快速的与现有硬件设备集成到一起，达到即插即用的地步。o m a c 设计 了系统、子系统、功能的化分规则，新系统重组就如同搭积木一样，只用将各功能模块 进行相应的组合就可以完成新系统的集成每7 】 o m a c 控制器的开放性主要是面对使用客户而言，并且对于实际开发的基础软硬 件和体系没有进行指定，没有实际标准。因此这个设计事实上属于概念性设计，真正实 现起来还有很多困难。 o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ，英文简称 o s a c a ) 控制器项目是由欧共体的2 2 个国家于1 9 9 0 年联合进行研发的。分析并开发 o s a c a 控制器软硬件平台，制定统一标准化接口。并同其它国家的开放式数控研究机 构取得联系，将o s a c a 控制器标准应用成为全球化的丌放式数控系统标准。 它的开放性是通过a p i ( a p p l i c a t o rp r o g r a mi n t e r f a c e ，英文简称a p i ) 专用访问通道 实现的。即对具体功能模块a o ( a r c h i t e c t u r eo b j e c t ，英文简称a o ) 进行屏蔽，对外部 访问提供统一的通道接h a p i 。o s a c a 摔制器具有丌放式数控系统的明显特征，具有良 好的模块化结构、统一的设计标准，可移植性强，并可以结合新技术和实际加：【对象对 数控系统进行二次丌发。 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r s ，英文简称o s e c ) 控制器项目是由日 本的几大公司共同提出并组织实施的，目的是为了使o s e c 控制器标准成为一个国际性 的开放式数控系统开发标准。 o s e c 控制器标准采用分布式控制，硬件结构上是采用p c + 运动控制卡的模式，这 种硬件结构设计便于实现整体的层次化、模块化、互换性。o s e c 控制器标准将功能实 现划入功能层中，一共包括3 个功能层和7 个处理层，这个体系结构为迸一步研究开放式 数控系统提供了软件基础。 国外还有很多机构和高校也在开放式数控系统的研发方面做了大量的工作，下面介 绍其它一些科研机构和高校的研究成果。 美国国家标准技术局在海军经费支持下，研究开发了一种基于r t - l i n u x 实时操作 系统的数控机床控制器。该机床控制器以l i n u x 软件系统平台为基础，加载r t - l i n u x 子系统为实时内核提升数控系统整体的实时性，实现由p c 机硬件取代专用n c 硬件电 路板，进行相应软件开发来实现n c 功能，提供加工过程图形化显示、加工数据实时处 理、对数控系统硬件实时控制以及p l c 功能。 密歇根大学是开放式数控系统领域的先驱者，很早就丌展了对开放式数控系统特别 是电火花数控系统方面的研究，基于对开放式系统的研究提出了电火花加工五轴联动控 制系统。自8 0 年代末期到9 0 年代初期，密歇根大学的科研人员对基于p c 机实现n c 控制系统进行了大量的研究，并完成了以p c 机软件模拟实现n c 控制系统各功能模块 的工作。9 0 年代以后，科研人员主要针对软件设计方面进行深入的研究，讨论在实时操 作系统中整体软件系统结构设计、功能模块可重构性设计以及各软件功能模块间如何进 行实时通信。 密歇根大学的y k o m n 、r g l a n d e r s 、m r l u c a s 三位研究人员对开放式数控系统软 件和硬件的可重构性进行了深入研究，丌发出一种符合开放式数控系统的具有重构性的 机床。机床整体设计采用模块化设计。可以方便的通过硬件的组合以及软件的安装实现 机床新功能的重构。 由美国s s c h o f i e l d 和p w r i g h t 、y a m a z a k i 等人主持提出了o a s i s ( o p e n - a r c h i t e c t u r e a s s e m b l y & i n t e g r a t i o ns c i e n c e ，英文缩写o a s i s ) 计划。 该计划针对现有的丌放式数控系统提出了一种在性能上更为优化的开放式机床控 制系统，进行优化的部分包括：机床运动控制精度、丌放式控制系统智能化生产程度、 设备信息反馈简便性以及没备的重构性。 第一章绪论 另外，将m o s c i a 系统与o a s i s 计划相容合，以c 语言为基础的软件开发工具， 以v x w o r k 实时操作系统为内核，开发出新的开放式数控系统m o s c i a p m 哥伦比亚大学的研究人员开发了一种带智能模块的多轴n c 控制系统，该控制系统 以p c 机做为上位机，以d s p 处理器实现对功能模块的控制。 这种n c 控制系统具有较好的开放式体系结构，d s p 处理器和功能模块硬件的结合 实现了控制系统硬件的独立。机床硬件和软件系统都采用模块化、可重构性设计。可以 同时满足数控设备制造商和底层用户的开放性需要。 斯图加特大学在开放式数控方面也进行了大量的研究，他们研究的开放式数控系统 主要是基于于o s a c a 标准。取得了不少的研究成果并在实际机床设备中得到大量应用， 如并联式机器人、多轴铣床控制系统和非传统机床控制系统，还开发了一种基于w i n 9 5 操作平台搭载实时子系统提供控制器实时性控制的三轴联动控制系统。通过软件实现控 制系统的功能模块，取代专用硬件。操作平台与实时子系统问的通信遵照t c p i p 协议 进行，也可以通过内存共享的方式实现。 德国亚琛工业大学开发出了五轴联动铣床控制系统。该控制系统按照欧共体提出的 o s a c a 开放式控制系统标准控制所设计。符合o s a c a 的开放式体系结构，实现功能 模块问通信及数据交换。还将该开放式控制系统运用到激光加工设备中。具体实现为： 以w i n d o w s 为基本的操作平台，搭载一个v x w o r k s 的实时操作子系统，通信时遵照 t c p i p 协议，配合p c 的i o 和驱动器的i o 接口构成整体系统。 韩国在在开放式数控领域也进行了相应的研究，参照日本的o s e c 开放式数控系统 模型，开发出n c 嵌入p c 式的数控系统。该系统采用分层式的控制方式，将智能化和 非实时性的功能由软件功能模块来实现，而将与设备联系密切、实时性要求高的交由嵌 入p c 机的专用数控模块( 运动控制卡p m a c ) 来完成。 德国a n d r o n 公司在w i n d o w s 操作平台上开发出开放式数控系统产品a n d r o n i c 2 0 6 0 ，它是一种基于p m a c 运动控制卡的p c + n c 式丌放式数控系统，因为有高速的 n c 部分，所以对p c 机的运行速度没有过高的要求。这种整体结构系统的灵活性好， 稳定性高。 我国在数控系统领域也进行了大量的研究工作，但是由于技术上的原因导致数控设 备一直集中在低端领域，高端领域一直被国外进口设备占领，我国丌放式数控技术研究 起步相比要晚一些，但是经过因内科研人员的不断努力，以p c + 运动控制仁为硬件平台 开发出了华中i 号、中华i 号数控，以p c 机的整体结构设计兼容n c 专用硬件模块，构 中国石油大学( 华东) 人学硕士学位论文 成单机控制系统，开发出了航天i 号和蓝天i 号。 新一代开放式数控系统是对系列化、开放型、高性能、智能化、网络化数控系统的 统称，是当今个国家制造业竞争力的重要标志。国家经贸委于2 0 0 0 年6 月开始组织实 施国家技术创新重点项目新一代开放式数控系统平台开发，目前已经完成了国家标 准开放式数控系统总则的制定( 标准代码为g b t 1 8 7 5 9 1 2 0 0 2 ) ，正着手制定开放式 数控系统平台的开发规范和计划，旨在尽快建立开放式数控系统软件开发平台运行平 台。其中软件开发平台由运行平台、开放式数控系统的功能构件库及工具软件组成，是 开放式数控系统应用软件的开发环境，用以开发和验证开放式数控系统的应用软件；而 运行平台由硬件平台和软件平台组成，作为开放式数控系统的基础部件，用于运行数控 系统应用软件，与数控系统其它部件一起，实现对机床的操作控制。另外，计划开发符 合规范的全数字智能化交流驱动单元及配套电机以适应当今开放式数控系统的要求。 尽管我国开放式数控系统计划正处在标准的研究与制定阶段，但已经有许多研究机 构特别是高等院校开始对丌放式数控系统进行研究，形成了一些特色的开放式数控系 统：华中科技大学提出基于软件芯片的开放式数控系统，取得了一定的研究成果上海 交通大学、华中科技大学、天津大学、北京工业大学和北京航空航天大学等在基于现场 总线的开放式控制系统、北京航空航天大学和华中科技大学等在基于组件的开放式控制 系统、哈尔滨工业大学和上海交通大学等在基于w i n d o w s l i n u x 的开放式控制系统方面 也做了大量的工作。从整体上看，国产数控系统大部分处于封闭阶段，远落后于国际先 进国家的研究水平。 1 2 2 电火花加工开放式数控系统国内外研究现状 近年来，国外以瑞士夏米尔( c h a rm i l l s ) 公司、阿奇( a g g i e ) 公司( 白2 0 0 7 年7 月1 日， 瑞士g f 阿奇夏米尔集团合并其原有品牌阿奇、夏米尔与米克朗，形成一个单一的新品 牌“g f 阿奇夏米尔”) 、日本沙迪克( s u n d e c k ) 公司、三菱( m i t s u b i s h i ) 公司四家为代表， 推出了各自功能强大的新型号多轴联动电火花数控系统及机床。 瑞士c h a r m i l l s 公司1 9 9 3 年推出的r o b o m i l l 2 0 0 电火花铣削机床，配备了完整的工 艺数据库，可自动进行工艺参数的选择和优化。其c a d c a m 系统根据零件的几何图形 信息生成加工程序，电极损耗由数控系统通过综合算法给出并加以控制和补偿，必要时 可以动更换电极1 1 2 j 。 同本沙迪克公司以实现世界上最高水准的制造为目标，自行丌发了5 项核心技术： n c 装置、运动控制器、直线电机、陶瓷技术和放电电源装置。n c 装胃可最大限度地发 5 第一章绪论 挥电火花j j n - r 机床的性能，具有进入网络的最新功能。运动控制器根据n c 装置的指令， 控制直线电机的高速、高精度的动作，可实现高速、高加速度的p i d 控制。 三菱电机公司开发的a u t om a g i c 型w e d m 机床有很强的自适应控制功能。其高速 化适应控制功能( p m ) 在上下异型切割、安装孔切割、各种型孔等复杂形状的加工中，自 动地大幅度提高加工速度。最佳加工条件生成功能在不用工作液喷嘴时自动决定加工条 件，使高精度加工能更简单的实施。高精度适应控制功能可使转角的加工精度较传统方 法提高3 倍。 我国绝大多数全功能电火花数控机床还是采用国外的c n c 系统。从机床的整体来 看，无论是可靠性、精度、生产效率和自动化程度，与国外相比，还存在着不小的差距， 电火花开放式数控的研究在国内尚处于起步阶段。 上海交通大学的胡德金等人基于p c + 运动控制卡进行了电火花数控系统的研究， 由工控机完成动态仿真、实时显示、人机界面和通信等非实时请求，运动控制卡完成插 补、伺服运动、控制算法和i o 事件处理等实时请求，两者之间通过i s a 总线实现通信。 南京航空航天大学的刘正埙、谷安等人开发了“n c 嵌入p c 型”的开放式线切割 数控系统，采用美国g a i l 公司的d m c l 7 0 0 系列可编程多轴控制卡完成伺服控制、间隙 检测、i o 处理等实时任务，非实时任务同样由p c 完成。另外，他们对基于组件的线 切割数控系统也进行- f s h 关的研究f 1 3 l 。 哈尔滨工业大学的赵万生等人基于l i n u x 操作系统，采用美国d e l t a t a u t 公司生产 的高性能运动控制卡p m a c 进行了一系列电火花开放数控的研究，在多轴联动、模块 化设计等方面做了很多工作。另外，在基于l i n u x + r tl i n u x 纯软件电火花数控方面也 取得了一些研究成果1 1 4 - 1 6 。 四川大学殷国富、山东大学张建华也基于p c 机，构建了电火花加工开放式数控系 统，武汉工业学院的李学忠等人在华中i 型开放式数控系统上，二次开发了电火花数控 系统的硬件和软件。 1 3 课题主要研究内容 本课题综合利用现代电火花加工技术、计算机技术、开放式控制技术、现场总线技 术和微电子技术等的最新研究成果，研究丌发电火花加工开放式数控伺服驱动系统。该 伺服驱动系统既要满足高精度控制的要求，又要满足电火花加工开放式伺服系统所提出 的具有完全的开放性要求。 电火花加工j l ：放式伺服系统的伺服驱动技术的研究内容： 中国石油大学( 华东) 大学硕上学位论文 ( 1 ) 交流永磁同步伺服电机控制算法的研究 1 永磁同步电机矢量控制算法的研究； 2 p i d 控制算法的研究； 3 滞环电流算法的研究； ( 2 ) 驱动系统的硬件设计与软件开发 1 p w m 发生电路设计； 2 电压电流及位移速度信号处理电路设计； 3 相关保护电路的设计； 4 主程序、a d 采集、速度检测等程序的编写； ( 3 ) 功率放大电路的设计 1 i p m 功率模块相关电路设计； 2 电压、电流a d 采集电路设计； 3 软启动电路设计； 4 速度反馈电路设计； 5 故障检测电路设计； 6 系统直流电源模块设计； 7 第二章矢量控制原理与p m s m 数学模型 第二章矢量控制原理与p m s m 数学模型 p m s m 的定子与传统绕线式同步电动机的定子基本相同，转子结构与无刷直流电动 机的类似，按永磁体安装形式分类，也有面装式、插入式和内装式的区别。要求永磁体 励磁尽量接近正弦分布，能在定子相绕组中感生正弦波感应电动势，下面对面装式 p m s m 的数学模型与矢量控制原理进行研究。 2 1 坐标变换理论 坐标变换原理分析时，对定子电流进行变换，先将a 、b 、c 三相静止定子电流转 换为m 、t 二相静止电流，坐标如图2 1 所示。然后将m 、t 二相静止电流转换为d 、q 二相运动电流，取永磁体基波励磁磁场为d 轴( 直轴) ，q 轴顺着旋转方向超前d 轴9 0 0 电 角度。d q 轴系随同转子以。的电角速度运动。空间转过的角度以d 轴与a 相参考轴a s 间的电角度0 ，来确定，坐标如图2 2 所示【17 1 。 q lj 一 t u ， - h i l d 六一噬i 图2 - 1a b c 轴系到m t 轴系图2 - 2m t 轴系到d q 轴系 f i 9 2 - 1 a b cs h a f tt om ts h a o f i 9 2 - 2 m ts h a f tt od qs h a f t 从三相静止轴系到二相静止轴系m t ，再由二相静止轴系m tn - - 相d q 运动轴系的 坐标变换如公式( 2 1 ) 、公式( 2 2 ) ： 中国石油大学( 华东) 大学硕士学位论文 0 旋转交轴q 轴电流 k 静止m 轴相电流 b 静止t 轴相电流 1 月a 相定子相电流 b 相定子相电流 j c 相定子相电流 p 叫轴旋转位移角 通过计算可以得知：公式中的享是根据功率不变原则，保证变换前后电流变化而 实际功率恒定。 以上面公式( 2 - 1 ) 、( 2 2 ) ，推倒可得：公式( 2 3 ) 和公式( 2 4 ) ； 其中，设定i o = 0 ，乞+ + 之= 0 ； 和 州一：簪穗卜， 一s i n 9 ， - s i n ( 啡一争 “n ( o r + 争 ( 2 - 4 ) 2 2p m s m 模型 以2 极而装式p m s m 物理模型来讨论其计算公式与理论表达式。图2 3 ，图2 4 中， c 为电子电流空l f l j 矢量，在p m s m 中将它定义为式( 2 5 ) t 1 8 - 2 0 。 9 厅怔厅虼厅虼 万一；万一； ， 幼一3幼一3 伊 一 + si | o o c c 。，。l 压怄 = 1，j 0b 第二章矢量控制原理与p m s m 数学模型 c s 图2 - 3p m s m 物理模型 f i 9 2 - 3 p m s mm o d e l i s ( f s ) 图2 - 4p m s m 参数示意图 f i 9 2 - 4 p m s m p a r a m e t e rd i a g r a m 詈( 屯+ 口+ 口2 t ) ( 2 - 5 ) 式中a 、a 2 分别为空间算子，扛e i l 缈，a 2 = d 2 竹。 整理公式： ：j 。( 吐，+ (2-6ls- )了lle 。 ”“1 ” lj 式中定子电流矢量 a 相电流幅值， 办a 相初始相位 纯电流角频率 上式表明，p m s m 电机稳态运行过程中，三相合成电流空间矢量c 的旋转轨迹为圆 形轨迹，圆形轨迹的半径为相电流最大幅值的倍，合成电流矢量旋转的电角度织是 供电电源角频率，合成电流矢量旋转方向是从a 相到b 桐到c 相。 建立数学模型，作如下假设： ( 1 ) 忽略铁心饱和； ( 2 ) 不计涡流和磁滞损耗； ( 3 ) 转子上没有阻尼绕组； y ，是每个磁极下永磁励磁空间矢量，与磁极磁场轴线相同。 定子电压方程： 中国石油人学( 华东) 大学硕士学位论文 驴r + 丘鲁+ 鲁( 砟) ( 2 - 7 ) 式中 吩每个磁极下永磁磁场矢量 蚝定子电压矢量 足相绕组电阻值 丘定子电感矢量 或 ”g = r ，i q + 厶p + q ，8 1 d + c o ，。d ( 屯+ i )( 2 - 8 ) h d = r s i d + l d p i d 一r l q i d( 2 - 9 、) 式中f ，永磁体等效电流 - 1 轴电压 叫轴电压 k d q 轴绕组漏电感 乞_ d 轴绕组自电感 厶q 轴绕组自电感 k d 轴励磁电感 转矩矢量方程： 疋= 儿虬 ( 2 1 0 ) 或 c = n 【三删。ts i n + 丢( 厶一厶) s i n2仞(2-1 1 ) 式中 瓦电磁转矩矢量 虮- d q 轴合成磁场矢量 转矩角 上面公式中前一部分是由定子电流与永磁体等效励磁电流相互作用产生的励磁转 矩。其中b 为定子三相合成磁场方向与永磁体磁场轴线所夹电角度，后一部分是由转子 凸极效应引起的磁转矩，插入式和内装式转子结构，在直轴磁路上有永磁体的存在，导 l a 乞在一定程度上成起到阻力的作用，称为磁阻转矩。而面装式结构l u = 厶，就 第二章矢量控制原理与p m s m 数学模型 不存在磁阻转矩【2 。本论文中不特别说明讨论的都是面装式p m s m 。 2 3p m s m 矢量控制 7 0 年代初，德国学者f b l a s c h k e 首次提出矢量控制理论，人们对矢量控制改善p m s m 的伺服驱动性能做了大量研究，正是运用了矢量控制理论使的p m s m 的伺服性能达到 甚至超过了直流电动机的水平2 2 五4 1 。 在他磁直流电机中，定子励磁磁场与转子电枢磁场是固定不变，而且是正交的。当 各条件不变时，电流与转矩存在线性关系，可以通过控制电流来控制转矩。 在p m s m 电机中，由于励磁磁场与电枢磁场的空间电角度受负载的影响，不存在 固定的关系，没有办法明确给出电流与转矩之间的定量关系式。为提高p m s m 的伺服 性能，达到甚至超过他励直流电机的控制水平，对p m s m 电机定子磁场施行实时的控 制，保证定子磁场与转子磁场间的电角度，当定子磁场与转子磁场正交时称为“磁场定 向”，为达到电角度的控制要运用坐标变换理论对定子电流进行解耦。 p m s m 矢量变换控制过程：根据位置反馈信息，准确获得电机转子的角位移和角速 度，将取得的实际角位移与角速度与理论需要的参考速度进行比较，得到误差量。由电 机转速误差量调整电机转矩大小，确定d q 电流的参考值，然后将二相电流做旋转二相 坐标系到固定三相坐标系的坐标变换，得到三相a 、b 、c 相电流参考值。测量三相a 、 b 、c 实际电流，将三相a 、b 、c 实际电流反馈与三相a 、b 、c 相参考电流做比较得 到误差量，由滞坏电流控制方式，调整a 、b 、c 各相电流大小，迫使实际电流跟随参 考电流。工作过程如图2 5 所示。 图2 - 5p m s m 矢量控制原理图 f i 9 2 - 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo fp m s mv e c t o rc o n t r o l 滞环电流控制原理：在p m s m 相电流控制过程中，以运动过程中的各位置理论参 中国石油人学( 华东) 大学硕士学位论文 考电流i 为基准，以允许的上下偏差6 为幅值。当实际电流i 【i 。一万，i + 卅时，各控 制参数维持不变，当实际电流i 仨 i + 一艿，i + 艿】时，根据调整规则控制i p m 电路对a 、b 、 c 三相电流大小进行调整。 第三章系统硬件 第三章系统硬件 由于计算机技术、微电子技术、软件技术的发展，数字处理器的处理速度得到较大 的提升，使开发基于数字处理器d s p 、应用于全软件的数控控制系统的开放式伺服驱动 系统成为可能。本章使用集成的d s p 开发套件s e e d d s k 2 4 0 7 为基础开发平台，对电 火花加工开放式数控伺服驱动系统的硬件组成部分进行设计调试【2 5 】。 3 1 系统硬件总体组成 系统硬件主要组成部分：控制芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 及其基础外围电路，位置传感 器信号反馈电路，霍尔电流、电压信号反馈电路，p w m 输出驱动电路，多电压辅助供 电电源，过压、欠压检测保护电路，功率电路等。 功率电路采用嘉尚第5 代i g b t 工艺智能功率模块p s 2 1 5 6 4 ，内置优化后的栅级驱 动和短路、欠压、过流保护电路，以不可思议的超小型体积，输出功率强劲的三相波形， 主要应用在电机、伺服控制领域，有效减小了工程师的开发时间a 本功率电路适用于电 机最大工作功率不超过7 5 0 k w 的电机使用1 2 6 】j 整体结构图如图3 1 所示。 9 9 f l v 图3 - 1 硬件整体结构图 f i 9 3 - i t h