伺服技术论文袁奎

1、数控机床永磁同步电机伺服驱动系统关键技术袁奎机自083班 学号080803110182摘 要 :数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础，直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。数控机床由机床本体和数控伺服系统构成。分析了电流连续和电流断续两种工作模式下反激式开关电源的数学模型，设计制作了工作于电流连续模式的基于TOP244 的8 路反激开关电源的电路，该电源已经应用于 实际驱动装置，测试和运行表明电源满足设计要求。简要介绍了工作于电流断续模式的基于M51995 的8 路反激开关电源的设计。 关键词：永磁同步，DSP ，多路反激开关电源，故障诊断保护，软件结构 第

2、一章 前言在现代制造技术系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对实现制造业的柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业 。我国自“七五”计划以来，数控加工技术方面的研究工作得到政府、企业和专家学者的高度重视，获得了较大的发展，但与世界先进水平相比仍有很大差距。永磁交流伺服技术是研制开发各种先进的机电一体化

3、设备，如数控机床、加工中心、工业机器人等的关键性技术，目前高性能数控机床和工业机器人所采用的电机伺服系统仍然主要依靠进口，这种现状限制了我国高科技产业的发展。因此，通过借鉴国外研究工作的先进经验，从高起点出发，尽早研制出具有当今国际水平的高性能、实用化的交流伺服系统成为了国内数控界发展的共同目标。受广州诺信数字测控设备有限公司的委托，为其研究开发高精度的永磁同步电机伺服驱动器，用于数控机床、数控加工中心的伺服电机驱动，实现高精度的位置进给控制。 第二章 永磁同步电机伺服系统应用介绍2.1永磁同步电机伺服系统用途介绍由于现代永磁材料的性能不断提高，价格不断下降，永磁同步电机的控制相对于异步电动机

4、来说也比较简单、容易实现高性能的优良控制，在数控机床、工业机器人等小功率应用场合得到广泛的应用。 如图2-1 所示，永磁同步电机伺服系统主要由以下几个部分组成 ： 图2-1 永磁同步电机位置伺服系统的组成 1. 永磁同步电机 永磁同步电机主要由转子和定子两大部分组成。在转子上装有采用铁氧体或稀土永磁等材料的特殊形状永磁体，用以产生恒定磁场。高性能而价格适宜的永磁材料，为高电动机的伺服性能和实用化提供了条件。由于转子是永磁体，因而不需要引入励磁电流产生励磁磁场，电机内部的发热只取决于电枢电流。在电动机的定子铁心上绕有三相电枢绕组，接在可控制的变频的控制电源上。在结构上，定子铁心直接裸露于外界空间

5、，因此散热情况良好，也使电动机易于实现小型化和轻量化。 2.2永磁同步电机伺服系统的类别 20 世纪80 年代，随着永磁材料特别是具有高磁能积、高矫顽力、低廉价格的钕铁硼永磁材料的发展，使人们研制出了价格低廉、体积小、性能高、无需励磁的永磁电机。永磁同步伺服电机是从绕线式转子同步电机发展而来的。由于是永磁转子，淘汰了易出故障绕线式转子同步电机的电刷，同时具有低惯性、效率高、转子无发热问题的优点，一经出现，便在高性能伺服系统中得到了广泛的应用。永磁同步电动机本体由定子和转子两部分组成，永磁同步电动机的定子指的是电动机在运行时的不动部分，其结构和异步电动机的定子结构基本相同，主要是由硅钢冲片、对称

6、分布的三相绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。永磁同步电动机是利用定子的三相交流电流和永磁转子的磁场互相作用所产生的电磁转矩来带动电机转子转动。当定子电流的频率固定时，转子的同步转速也是固定的，并且与该频率成正比，同步转速为 其中，f 为定子电流频率，P 为电动机极对数。 2.3永磁同步电机伺服系统的工作过程 随着伺服控制技术的迅速发展和矢量控制技术的应用，以及微电子技术和微处理器技术的飞速发展，伺服系统正向着全数字交流化方向发展，使得高性能的交流伺服系统也不断得到研发实现。也正是由于现代控制理论能够很好地应用于交流伺服系统之中，才使得交流伺服系统的性能日益提高，所以寻求更优良的控制策略

7、对交流伺服系统进行控制是提高其性能的比较有效途径之一 。 交流电动机的模型是强耦合、时变的非线性系统，其控制策略也比较复杂，所以交流伺服系统的调速性能与它所采用的控制策略有着直接的关系，历史的发展表明，几乎每一次控制理论的突破与新型控制理论的诞生都会伴随着交流伺服系统调速性能的迅速提高。目前交流伺服系统的控制策略主要有基于稳态模型的恒压频比控制，基于动态模型的矢量控制、直接转矩控制、反馈线性化控制、反推控制、自适应控制、滑模变结构控制、以及不依赖对象数学模型的模糊控制，神经网络控制等，其中最具代表性的是矢量控制和直接转矩控制。 因为是永磁转子， 是一个不变的值，所以电磁转矩 只与定子电流的交轴

8、分量 成正比，实现了电磁转矩表达式中的直、交轴电流解耦，达到了永磁同步电机的转矩线性化控制的目的，只要控制好交轴电流的幅值，就可以得到满意的转矩控制特性。电流的频率和相位可以通过转子位置检测器的转子磁极位置信号获得，一定的转速和转矩对 应于一定的 和 ，通过这两个电流分量的控制，便实现了电动机转矩和转速控制。2.4永磁同步电机伺服系统的性能与特点 在永磁同步交流伺服驱动系统中，控制芯片是它的核心，它不仅要完成外部信号的采集功能的保护，还要完成整个系统的控制策略，实现伺服系统的控制要求。本驱动器以TMS320LF2812 为控制核心，配以交流永磁电动机控制中优化的外围电路，实现对永磁同步交流伺服

9、电机的的位置环、速度环和电流环的三闭环控制。配备RS232 通讯接口，实现与上位机的通讯功能。拥有CAN 现场总线接口，便于组建控制网络，实现装置的远程监控。采用FPGA 作为辅助功能处理芯片，完成上位机位置指令脉冲计数，编码器信号处理，操作面板控制等功能。驱动单元采用具有极高开关速度的带保护功能的智能功率模块。另外，较完整的故障诊断保护功能为电机及驱动器的安全运行提供了有力的保障。本伺服驱动器具有集成度高、抗干扰能力强、控制精度高、响应速度快等优点。 2.4.1 永磁同步电机伺服驱动器的总体结构 伺服驱动器总体结构框图如下所示： 图3-1 伺服驱动器总体结构框图从驱动器结构划分，驱动器硬件部

10、分主要由控制电路板、功率板驱动板和多路辅助开关电源板三大部分组成。 功率驱动板主要由电机驱动主回路、信号检测电路、保护电路、软启动电路、泄放回路等组成。主回路采用交直交电压型变换器结构，主要作用是实现功率变换，将控制板输出的控制信号转变为具有一定驱动能力的强电信号并输出到电机。主回路采用模块化设计，整流电路采用功率二极管整流模块，逆变电路采用集成三相桥臂及驱动保护电路的IPM(智能功率模块) ，简化了驱动板外围电路的设计。信号检测电路主要有检测电机的三相定子电流的霍尔传感器电路以及直流母线电压、再生电压、辅助开关电源电压的电压检测电路等，用于系统闭环控制和故障检测。 多路辅助开关电源为整个驱动

11、器提供多路相互隔离且规格多样的直流电源。设计制作基于TOP244 的多路反激开关电源，提供8 路独立直流电源输出。 操作面板主要由数码管和4 个按键组成。主要提供人机交换功能，包括系统参数输入，驱动器运行状态和故障信息显示等。 第三章 永磁同步电机伺服系统与机械电子工程3.1永磁同步电机伺服系统与机电一体化关系参与了基于DSP 的全数字永磁交流同步电机伺服驱动系统的设计与调试。 该系统采用 TI公司的 TMS320F2812作为系统的控制核心，以 Actel 公司的 APA300 作为辅助信号处理器件，实现伺服驱动系统的位置环、速度环、电流环闭环控 制，采用矢量控制策略。主电路采用智能功率模块

12、（IPM ），采用基于TOP244 的8 路反 激式开关电源作为辅助电源，实现 DSP 与上位机之间的多种通讯功能等。3.2永磁同步电机伺服系统的体系结构 本伺服驱动系统运用永磁同步电机矢量控制理论，由霍尔电流传感器检测电机三相 定子电流，通过电机编码器实时检测转子位置和速度，实现系统的位置、速度、电流的三闭环控制。系统程序主要包括主程序模块，功能模块，系统初始化模块、外设初始化模块，中断服务程序模块等，主程序通过调用各子模块来协调各模块的关系。 3.3永磁同步电机伺服系统所涉及到机电一体化知识本文在对永磁同步电机伺服驱动系统的总体设计框架进行简要介绍的基础上，重点对驱动装置的内部供电电源、伺

13、服驱动装置的故障诊断以及伺服驱动装置的软件结构等关键技术进行了深入的研究和探讨，其主要内容为： 分析了电流连续和电流断续两种工作模式下反激式开关电源的数学模型，设计制作了工作于电流连续模式的基于TOP244 的8 路反激开关电源的电路，该电源已经应用于实际驱动装置，测试和运行表明电源满足设计要求。简要介绍了工作于电流断续模式的基于M51995 的8 路反激开关电源的设计。 第四章 机械电子工程基本论述机械电子系统早已在我们的日常生活中广泛应用。如果没有多项技术的面向未来的技术和知识交流，那么就不会产安全气囊、防滑刹车系统、复印机、CD机、行驶模拟装置和自动售票机等一系列运用了机械电子技术的产品

14、。机械电子是工程科学中的一个跨学科专业，在机械制造、电子工程和计算机科学等学科的基础上建立起来的。必须继续结合这些传统学科的方法和工具，才能继续发展机械电子的产品、系统和制造方式。只有这样，才有可能将传感器、执行元件和信息处理融和在一个机械设计中，从而使用其产生的协同工作效果。电子工业，微电子技术和计算机科学的迅猛发展扩大了机械电子系统的运用。机械电子不仅仅局限于机械制造某个固定的方向，它同时还受到该领域所有分支学科的影响。 机械电子工程专业培养具有机械电子工程专业基础知识与专业技能，能在生产一线从事机械电子工程专业产品的设计制造、控制开发、应用研究和生产管理等工作的应用型高级专门人才；培养能

15、在中、高等职业技术教育领域从事机电一体化的理论教学、专业实践指导和学生管理工作的复合型职教师资毕业生可到各类机械设计制造企业、电子及电器企业及其它生产部门、公司、科研与教学部门从事机电品的设计、制造、管理、教学、开发、销售及技术服务等工作。第五章 电气伺服技术应用及重要性5.1电气伺服技术发展历程伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程, 电气伺服系统根据所驱动电机类型分为直流(DC)伺服系统和交流(AC)伺服系统。交流伺服系统按其采用的驱动电机类型又可分为永磁同步(SM型)电动机交流伺服系统和感应式异步(IM型)电动机交流伺服系统。由于直流伺服电动机存在机械结构复杂, 维修工作量大包括电刷、换

16、向器等则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。随着微处理技术、大功率电力电子技术的成熟和电机永磁材料的发展和成本降低, 交流伺服系统得到长足发展并将逐步取代直流伺服系统。 5.2电气伺服技术内涵与技术体系1.系统精度 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度,以误差的形式表现,可概括为动态误差,稳态误差和静态误差三个方面组成. 2.稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后,系统能够恢复到原来稳定状态的能力;或者当给系统一个新的输入指令后,系统达到新的稳定运行状态的能力. 3.响应特性 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度,决定了系统的工作效率.响应速度与许多因素有

17、关,如计算机的运行速度,运动系统的阻尼和质量等. 4.工作频率 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围.当工作频率信号输入时,系统能够按技术要求伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度,以误差的形式表现,可概括为动态误差,稳态误差和静态误差三个方面组成.5.3电气伺服技术应用范围伺服电机的应用领域就太多了。只要是要有动力源的，而且对精度有要求的一般都可能涉及到伺服电机。如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备。5.4电气伺服技术系统类别数控机床的伺服驱动系统按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱

18、动系统；按其控制原理和有无位置检测反馈环节分为开环系统和闭环系统；按驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统。5.5电气伺服技术发展趋势概述 随着工厂自动化、力公自动化的发展,用于家用电器办公机械、机床、机器人等各个领域的伺皿系统起粉越来越重要的作用。高性能伺服系统不断地推进生产自动化水平的进步,而生产的发展又不断地对伺服系统提出新的要求,伺服系统的发展历史正是适应生产需要而发展起来的。第六章 体会与感想 成功设计制作了伺服驱动器的多路辅助开关电源。基于TOP244 的多路反激式开关 电源有良好的动、静态特性，电磁兼容性好，已在伺服驱动器上安全运行了近一年，可靠性较高。 由于时间和其他条件的限制，还需要继续开展较深入的工作，如有机会，拟继续开展如下研究工作： （1） 进一步优化多路辅助开关电源的设计，采用更小的高频变压器，优化 PCB布线，提高电源的电磁兼容性，使其结构更为紧凑。 （2 ） 完善伺服驱动器的故障诊断保护功能，进一步研究具有预测功能的基于系统建模或专家系统的故障诊断系统，进一步完善人机交互功能的设计。 （3 ） 进一步优化基于µC/OS-II 的多任务设计，合理整合DSP 的