直流PWM伺服系统在数控机床中的应用.doc

摘要：从20世纪70年代末我国开始研究PWM系统，就PWM控制电路、驱动电路、功率转换电路以及系统的分析和设计做了许多的工作，取得了一些研究成果，在一定的范围内达到了工业推广水平。例如应用于数控机床、精密机床、仿型机床、重型机床及精密速度控制中，也用于军事领域中，同时直流伺服又有其优点和缺点，其优点是宽调速、机械特性硬和响应速度快；缺点是电动机制造成本高，维护麻烦，还由于机械换向困难，其单机容量和转速都受限制；而伺服系统的可靠性设计及其自诊技术伴随着系统功能、性能以及复杂化程度的升级而受到人们的普遍重视。从而推动了伺服系统的发展。关键词：PWM 脉冲 机床 数字PWM系统的微处理器控制，就是将微处理器引入PWM，使微处理器成为PWM系统的环节，同时选用适合于微处理器控制的各种现代伺服元件和接口电路，组成一个数字伺服系统；应用软件程序，实现数字比较、数字滤波、数字脉宽调制以及模拟系统中控制回路所需要的各种附加功能，从而实现设计的各种需求。在电机微机控制系统中，电机是被控对象，微机则起控制器的作用。计算机对输入信号进行存储和加工，按要求形成控制指令，输出数字控制信号。其中有的经过放大可直接控制步进电动机或逆变器之类用数字脉冲信号驱动的部件，有的则要经过数模（D/A）转换器转换成模拟信号，再经功率放大后，通过调节器对电机的电压、电流等物理参数进行控制。若采用闭环控制，反馈给计算机的物理参数，如电机的转速、转角、转矩等，可由传感器进行测量。若传感器输出的是模拟信号，则先经采样保持器等器件的处理，再经模数（A/D）转换，变成数字信号后输入计算机。若传感器输出的是数字信号，则经整形、光偶隔离等处理后，可直接输入计算机。电机的给定控制量，如电动机的转角、转速，或发电机的电压等给定值，可通过键盘或其他设备输入计算机。显示器则可将操作提示和使用者希望了解的数值及时的显示出来。随着电力电子技术、单片机和微型计算机的高速发展，外围电路元件专用集成电路的不断出现，使得直流伺服电动机控制技术有了显著进步。这些技术领域的高速发展，可以很容易的构成高精度、快响应的直流伺服系统，因而近年来世界各国在高精度、速度和位置控制场合（例如：机床进给伺服系统，军用伺服系统），都已由电力半导体驱动安装取代了电液驱动。特别是被誉为“未来伺服驱动装置”的晶体管脉冲宽度调制（PWM）直流伺服系统。其中，直流伺服系统可分为永磁直流电动机伺服系统，无槽电枢直流伺服电动机系统及空心电枢直流伺服电动机系统。而永磁直流电动机具有很重的机械特性和线性，对控制信号响应快。它又可分为晶闸管放大器驱动和晶体管脉宽（PWM）型直流伺服电动机系统。脉宽调制方式的直流调速系统的调速范围达到百万以上并具有优良的性能，也受到了人们的越来越多的关注，从而得到迅速的发展和广泛的应用，到80年代PWM驱动在直流伺服系统中的应用已经普及。一、直流伺服系统的发展趋势 从国内的各种形式来看，数字化交直流流伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求越来越高。总的来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面：交流化。 伺服技术将继续迅速地由DC伺服系统转向AC伺服系统。从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是AC伺服系统。在工业发达国家，AC伺服电机的市场占有率已经超过80%。在国内生产AC伺服电机的厂家也越来越多，正在逐步地超过生产DC伺服电机的厂家。可以预见在不远的将来，除了在某些微型电机领域之外，AC伺服电机将完全取代DC伺服电机。数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法（如:最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）成为可能。智能化 智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面:首先他们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用起来十分方便;其次它们都具有故障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性;除以上特点之外，有的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。模块化和网络化 在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（Factory Automation 简称FA）工程技术在最近十年来得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口（如RS-232或RS-422接口等）和专用的局域网接口。这些接口的设置，显著地增强了伺服单元与其它控制设备间的互联能力，从而与CNC系统间的连接也由此变得十分简单，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。也可以通过串行接口，与可编程控制器（PLC）的数控模块相连。高度集成化 新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体积，使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。采用新型电力电子半导体器件,目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘门极晶体管（IGBT）等。这些先进器件的应二、PWM（脉冲宽度调制）简介PWM（脉冲宽度调制）直流伺服系统是主要用于直流有刷电机精确调速控制；直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。其主要由两部分组成，一是功率驱动器件，二是伺服调速电路；功率驱动器件目前主要采用MOSFET管、IGBT模块，IPM模块；特别随着计算机在控制领域，高开关频率、全控型第二代电力半导体器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的发展，以及脉宽调制(PWM)直流调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。伺服调速电路通常采用速度、电流串级双闭环调速原理实现；为适应小型直流电机的使用需求，各半导体厂商推出了直流电机控制专用集成电路，构成基于微处理器控制的直流电机伺服系统。但是，用集成电路构成的直流电机驱动器的输出功率有限，不适合大功率直流电机驱动需求。因此脉宽调制(PWM)直流调速技术，实现大功率直流电机驱动控制。该驱动电路能够满足各种类型直流电机需求，并具有快速、精确、高效、低功耗等特点，可直接与微处理器接口，可应用PWM技术实现直流电机调速控制。随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术。PWM直流伺服系统总体原理框图三、直流电机PWM调速控制原理直流电动机转速n=(U-IR)/K其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻,为每极磁通量，K为电动机结构参数。直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中PWM(脉宽调制)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。PWM调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比(占空比)来改变直流电机电枢上电压的占空比，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用PWM技术构成的无级调速系统启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，且设占空比为D=tT，则电机的平均速度Vd为：Vd=VmaxD.由公式可知，当改变占空比D=tT时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可将其近似地看成线性关系。 在直流电机驱动控制电路中，PWM信号由外部控制电路提供，并经高速光电隔离电路、电机驱动逻辑与放大电路后，驱动H桥下臂MOSFET的开关来改变直流电机电枢上平均电压，从而控制电机的转速，实现直流电机PWM调速。PWM控制电路基本原理 为了实现直流伺服系统的H型单极模式同频PWM可逆控制，一般需要产生四路驱动信号来实现电机的正反转切换控制。当PWM控制电路工作时，其中H桥一侧的两路驱动信号的占空比相同但相位相反，同时随控制信号改变并具有互锁功能；而另一侧上臂为低电平，下臂为高电平。另外，为防止桥路同侧对管的导通，还应当配有延时电路。设计的整体模块见图1所示。其中，d7:0矢量用于为微机提供调节占空比的控制信号，cs为微机提供控制电机正反转的控制信号，clk为本地晶振频率，qout3:0矢量为四路信号输出。其内部原理图如图2所示。该设计可得到脉冲周期固定（用软件设置分频器I9可改变PWM开关频率，但一旦设置完毕，则其脉冲周期将固定）、占空比决定于控制信号、分辨力为1256的PWM信号。I8模块为脉宽锁存器，可实现对来自微机的控制信号d7：0的锁存,d7：0的向量值用于决定PWM信号的占空比。clk本地晶振在经I9分频模块分频后可为PWM控制电路中I12计数器模块和I11延时模块提供内部时钟。I12计数器在每个脉冲的上升沿到来时加1，当计数器的数值为00H或由0FFH溢出时，它将跳到00H时，cao输出高电平至I7触发器模块的置位端，I7模块输出一直保持高电平。当I8锁存器的值与I12计数器中的计数值相同时，信号将通过I13比较器模块比较并输出高电平至I7模块的复位端，以使I7模块输出低电平。当计数器再次溢出时，又重复上述过程。I7为RS触发器，经过它可得到两路相位相反的脉宽调制波，并可实现互锁。I11为延时模块，可防止桥路同侧对管的导通，I10模块为脉冲分配电路，用于输出四路满足设计要求的信号。CS为I10模块的控制信号，用于控制电机的正反转。四、PWM伺服系统在数控系统中的具体应用PWM软件法控制充电电流 本方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电流。本方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件，另外ADC的位数尽量高，单片机的工作速度尽量快。在调整充电电流前，单片机先快速读取充电电流的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰，合理采用算术平均法等数字滤波技术。软件PWM法具有以下优缺点。 优点： 简化了PWM的硬件电路，降低了硬件的成本。利用软件PWM不用外部的硬件PWM和电压比较器，只需要功率MOSFET、续流磁芯、储能电容等元器件，大大简化了外围电路。 可控制涓流大小。在PWM控制充电的过程中,单片机可实时检测ADC端口上充电电流的大小，并根据充电电流大小与设定的涓流进行比较，以决定PWM占空比的调整方向。 电池唤醒充电。单片机利用ADC端口与PWM的寄存器可以任意设定充电电流的大小，所以，对于电池电压比较低的电池，在上电后，可以采取小电流充一段时间的方式进行充电唤醒，并且在小电流的情况下可以近似认为恒流，对电池的冲击破坏也较小。 缺点： 电流控制精度低。充电电流的大小的感知是通过电流采样电阻来实现的，采样电阻上的压降传到单片机的ADC输入端口，单片机读取本端口的电压就可以知道充电电流的大小。若设定采样电阻为Rsample（单位为），采样电阻的压降为Vsample（单位为mV）， 10位ADC的参考电压为5.0V。则ADC的1 LSB对应的电压值为 5000mV/10245mV。一个5mV的数值转换成电流值就是50mA，所以软件PWM电流控制精度最大为50mA。若想增加软件PWM的电流控制精度，可以设法降低ADC的参考电压或采用10位以上ADC的单片机。 PWM采用软启动的方式。在进行大电流快速充电的过程中，充电从停止到重新启动的过程中，由于磁芯上的反电动势的存在，所以在重新充电时必须降低PWM的有效占空比,以克服由于软件调整PWM的速度比较慢而带来的无法控制充电电流的问题。 充电效率不是很高。在快速充电时，因为采用了充电软启动，再加上单片机的PWM调整速度比较慢，所以实际上停止充电或小电流慢速上升充电的时间是比较大的。 为了克服2和3缺点带来的充电效率低的问题，我们可以采用充电时间比较长，而停止充电时间比较短的充电方式，例如充2s停50ms，再加上软启动时的电流慢速启动折合成的停止充电时间，设定为50ms，则实际充电效率为（2000ms100ms）/2000ms95，这样也可以保证充电效率在90%以上。 纯硬件PWM法控制充电电流 在数控系统中的应用:由于单片机的工作频率一般都在4MHz左右，由单片机产生的PWM的工作频率是很低的，再加上单片机用ADC方式读取充电电流需要的时间，因此用软件PWM的方式调整充电电流的频率是比较低的，为了克服以上的缺陷，可以采用外部高速PWM的方法来控制充电电流。现在智能充电器中采用的PWM控制芯片主要有TL494等,本PWM控制芯片的工作频率可以达到300kHz以上，外加阻容元件就可以实现对电池充电过程中的恒流限压作用，单片机只须用一个普通的I/O端口控制TL494使能即可。另外也可以采用电压比较器替代TL494，如LM393和LM358等。采用纯硬件PWM具有以下优缺点。 优点： 电流精度高。充电电流的控制精度只与电流采样电阻的精度有关，与单片机没有关系。不受软件PWM的调整速度和ADC的精度限制。 充电效率高。不存在软件PWM的慢启动问题，所以在相同的恒流充电和相同的充电时间内，充到电池中的能量高。 对电池损害小。由于充电时的电流比较稳定，波动幅度很小，所以对电池的冲击很小，另外TL494还具有限压作用，可以很好地保护电池。 缺点： 硬件的价格比较贵。TL494的使用在带来以上优点的同时，增加了产品的成本，可以采用LM358或LM393的方式进行克服。 涓流控制简单，并且是脉动的。电池充电结束后，一般采用涓流充电的方式对电池维护充电，以克服电池的自放电效应带来的容量损耗。单片机的普通I/O控制端口无法实现PWM端口的功能，即使可以用软件模拟的方法实现简单的PWM功能，但由于单片机工作的实时性要求，其软件模拟的PWM频率也比较低，所以最终采用的还是脉冲充电的方式，例如在10%